UPTEC W05 001

Examensarbete 20 pJanuari 2005

Simulering av översvämningar i Byälven

Finn MidbøeHåkan Persson

ii

iii

Referat Simulering av översvämningar i Byälven

Finn Midbøe och Håkan Persson Allvarliga översvämningar i samband med höstregn år 2000 väckte frågan om det går att vidta åtgärder för att minska skadorna vid höga flöden i området runt Glafsfjorden och längs Byälvens sträckning ner till Vänern. Ett alternativ är att med åtgärder längs älven underlätta vattnets utflöde och på så sätt minska den högsta vattennivå ett givet flöde orsakar. God kunskap om hydrauliska och hydrologiska förhållanden behövs för att bedöma nyttan av olika åtgärdsalternativ. För att kunna avgöra effekterna av olika åtgärdsalternativ har en 1-dimensionell strömningsmodell satts upp för Byälven i programverktyget MIKE 11. Modellen är mer detaljerad, framförallt beträffande höjdinformationen, än tidigare modeller som använts för studier av Byälven varit. Randvillkor till modellen utgörs av registrerade inflöden, Vänerns vattenstånd och avrinning modellerad med HBV-modellen. Modellen har kalibrerats för två översvämningsperioder och god anpassning uppnåddes för de vattenstånd som dessa situationer representerar och med dess hjälp har sedan älven studerats och områden som bromsar flödet har kunnat identifieras. Med kunskap om vilka områden som begränsar flödet mest har ett antal olika åtgärder simulerats i modellen, både var för sig och kombinerade med varandra. Randvillkoren för översvämningen år 2000 behölls och förändringarna lades in i modellen. De extremaste åtgärderna som simulerats resulterade i minskningar av de högsta vattennivåerna i de två största vattenmagasinen Glafsfjorden och Harefjorden med 78 respektive 97 cm. Mer realistiska åtgärdspaket gav minskningar med i storleksordningen 48 respektive 84 cm och även relativt små ingrepp gav minskningar på några decimeter. Simuleringsresultaten ger god vägledning för vidare undersökningar av och beslut om konkreta åtgärder i Byälven. Dessutom utgör modellen ett bra verktyg för att ta fram översvämningskartor och för att prognostisera vattennivåer vid nya översvämningssituationer. Nyckelord: Byälven, Arvika, översvämning, ickestationär kanalströmning, endimensionell hydraulisk simulering, MIKE 11

iv

v

Abstract Flood simulations in the river Byälven

Finn Midbøe and Håkan Persson Severe floods caused by heavy autumn rains in year 2000 raised the question whether measures to reduce the damage from high water levels, in the area surrounding lake Glafsfjorden and along the river Byälven down to lake Vänern, are possible. One option is to reduce flow resistance along the river and thereby lower the maximum water level a given inflow would cause. Good knowledge of hydraulic and hydrological conditions is necessary in order to estimate the effect of such flow-reducing measures. In order to quantify such effect a 1-dimensional hydraulic flow model has been set up for the river Byälven using the software package MIKE 11. The model is more detailed, especially concerning topography and bathymetry, than earlier models used for studies of the river. Boundary conditions consist of measured inflows, the level of the lake Vänern and runoff calculated using the HBV-model. The model was calibrated for two different floods and a good fit to measured water levels was obtained for both these periods. Using the calibrated model critical sections, causing much flow resistance during high floods, were identified. With that knowledge different measures to reduce high water levels was adopted to the model both individually and combined with each other and the model was run with boundary conditions mainly from the flood in year 2000. The most radical measures simulated resulted in a lowering of the maximum water in the two largest reservoirs Glafsfjorden and Harefjorden with 78 and 97 cm respectively. A more modest combination of measures gave water levels 48 and 84 cm lower than a model run without changes. Some combinations of relatively small measures lowered the maximum water level by a few decimeters. The simulation results give good guidance to further investigations and decisions of actual changes. The model constitutes a useful tool when making flood maps of the area and if water level forecasts would be needed during future floods. Keywords: The river Byälven, Arvika, flood, varied unsteady flow, open channel hydraulics, one dimensional hydraulic simulation, MIKE 11 Department of earth sciences Uppsala University Villavägen 16 SE-752 36 Uppsala Sweden ISSN 1401-5765

vi

vii

Förord

Detta projekt har initierats av Arvika kommun och finansierats av densamma genom EU-projektet FLOWS. Arbetet har genomförts som ett 20 poängs examensarbete inom utbildningen Miljö- och vattenteknik vid Uppsala universitet, under handledning av Torbjörn Svensson som tillhör Nätverket för älvsäkerhet på Karlstads universitet. Ämnesgranskare och examinator på Uppsala universitet har varit Allan Rodhe respektive Conny Larsson. Andra som har bidragit till genomförandet är Barbara Blumenthal och Jan Forsberg, Karlstad universitet och framförallt Anders Norrby, Arvika kommun. Under projektets gång har vi ofta kommit i kontakt med folk som varit intresserade av det pågående arbetet. Det gäller såväl boende längs Byälven och SVT Värmland som folk inom ämnesområdet både i Sverige och i Norge; då främst på NVE, Sjöfartsverket, SMHI och Räddningsverket. Förutom handledare, ämnesgranskare och andra som visat intresse för arbetet vill vi speciellt tacka Räddningsverket för tillgång till tidigare modell över Byälven och avdelningen Natur och miljö på Karlstads universitet som upplåtit lokal åt oss och bjudit på kaffe. Författarna ansvarar av på grund av examination individuellt för de kapitel var och en står bakom. Indelningen är sådan att Håkan ansvarar för kapitlen 3 - 3.4.3, 3.4.7 - 3.5, 5, 5.3 - 5.4.1, 6 - 6.1, 7.5 - 7.5.1, 7.7 - 7.10, 8.4 - 8.4.5, A.2, A.7 och Finn ansvarar för kapitlen 2 - 2.3, 3.4.4 - 3.4.6, 4 - 4.3, 5.1 - 5.2, 7 - 7.4, 7.6, 7.11, 8 - 8.3.3, A.1, A.3 - A.6, A.8, B.1. Övriga kapitel har skrivits tillsammans. Med förhoppningar om intressant läsning! Karlstad december 2004 Finn & Håkan

Mycket viktigt att tänka på vid läsning av denna rapport är att alla höjdangivelser anges i referenssystemet Rikets Höjdsystem 1970, RH70, där inget annat anges. Många diskussioner kring vattennivåer i Arvika och Säffle refererar till vattennivåer i RH00, vilka är cirka 3 dm lägre än motsvarande nivåer beskrivna i RH70. Således anges i denna rapport den högsta registrerade vattennivån i Arvika under översvämningen 2000 till 48,67 m ö.h. i RH70 vilket motsvarar en nivå på 48,36 m ö.h. i RH00 Copyright © Finn Midbøe, Håkan Persson och Institutionen för geovetenskaper, Luft- och vattenlära, Uppsala universitet. UPTEC W05 001, ISSN 1401-5765 Tryckt hos Institutionen för geovetenskaper, Geotryckeriet, Uppsala universitet, Uppsala, 2005.

viii

1 INLEDNING .................................................................................................................. 1

2 FÖRUTSÄTTNINGAR................................................................................................. 5 2.1 KAU-MODELLEN .................................................................................................................................. 5 2.2 RÄDDNINGSVERKETS MODELL.............................................................................................................. 6 2.3 MÖJLIGA FÖRBÄTTRINGAR ................................................................................................................... 7

3 MJUKVARA .................................................................................................................. 7 3.1 ARCVIEW OCH ARCGIS........................................................................................................................ 8 3.2 IHMS ................................................................................................................................................... 8 3.3 MIKE 11 GIS ....................................................................................................................................... 9 3.4 MIKE 11 .............................................................................................................................................. 9

3.4.1 Editorer i MIKE 11 ...................................................................................................................... 9 3.4.2 Structure operations..................................................................................................................... 9 3.4.3 Flödesmotstånd ...........................................................................................................................10 3.4.4 Hydrodynamiska grundekvationer ..............................................................................................10 3.4.5 Bestämmande sektioner och stråkande vatten.............................................................................13 3.4.6 Lösningsmodell ...........................................................................................................................14 3.4.7 Stationär, kvasistationär och dynamisk modellering ..................................................................15 3.4.8 Stabilitet samt relation mellan tidssteg beräkningsavstånd ........................................................16

3.5 MIKE VIEW ........................................................................................................................................17 4 HÖJDMODELL........................................................................................................... 17

4.1 HÖJDDATA...........................................................................................................................................18 4.1.1 GSD-Höjddata ............................................................................................................................18 4.1.2 Laserscanning .............................................................................................................................18 4.1.3 Ekolodning ..................................................................................................................................18 4.1.4 Djup från sjökort - FM................................................................................................................18

4.2 DATAREDUKTION ................................................................................................................................19 4.3 SAMMANFOGNING ...............................................................................................................................19

5 FLÖDEN....................................................................................................................... 20 5.1 INFLÖDEN FRÅN REGLERADE AVRINNINGSOMRÅDEN...........................................................................20 5.2 FLÖDE I SÄFFLE ...................................................................................................................................21 5.3 SLUSSEN ..............................................................................................................................................22

5.3.1 Beräkning av flöde ......................................................................................................................23 5.4 INFLÖDEN FRÅN OREGLERADE AVRINNINGSOMRÅDEN ........................................................................27

5.4.1 IHMS...........................................................................................................................................28 6 VATTENSTÅND ......................................................................................................... 29

6.1 VÄNERNS VATTENNIVÅ .......................................................................................................................30 7 FINKAN-MODELLEN ............................................................................................... 32

7.1 TVÄRSNITT ..........................................................................................................................................33 7.1.1 Magasinens area som funktion av vattennivå .............................................................................34

7.2 ÖVRE OCH NEDRE RANDVILLKOR ........................................................................................................34 7.3 INFLÖDEN ............................................................................................................................................35 7.4 DÄMMET..............................................................................................................................................35 7.5 SLUSSEN ..............................................................................................................................................36

7.5.1 Hantering av slussen i olika scenarier........................................................................................36 7.6 ÖVERSVÄMNINGSOMRÅDEN ................................................................................................................37 7.7 BROAR.................................................................................................................................................38

ix

7.8 VAL AV TIDSSTEG OCH AVSTÅND MELLAN BERÄKNINGSPUNKTER.......................................................39 7.9 KALIBRERING AV MODELLEN...............................................................................................................40

7.9.1 Kalibrering mot två oberoende perioder ....................................................................................40 7.9.2 Jämförelse med osäkra mätningar ..............................................................................................41

7.10 OSÄKERHETSKONTROLL AV MODELLEN ............................................................................................43 7.11 FELKÄLLOR .......................................................................................................................................45

8 RESULTAT AV KÖRDA SIMULERINGAR .......................................................... 46 8.1 YTTERLIGARE FELKÄLLOR...................................................................................................................46 8.2 ENSKILDA ÅTGÄRDER FÖR MINSKAT VATTENSTÅND............................................................................46

8.2.1 Ökat flöde genom slussen............................................................................................................47 8.2.2 Borttagning av invallningar........................................................................................................48 8.2.3 Vidgning vid Hökeströmmen .......................................................................................................48 8.2.4 Effekter av förändrad vattendom ................................................................................................50 8.2.5 Ändrat flödesmotstånd i zon 2 och 3 ...........................................................................................50 8.2.6 Ändrat flödesmotstånd i zon 1.....................................................................................................52 8.2.7 Muddring ....................................................................................................................................52 8.2.8 Ökat flöde genom dämmet...........................................................................................................53

8.3 SIMULERINGAR MED FÖRHÖJDA VATTENSTÅND...................................................................................54 8.3.1 Barriär mellan Kyrkviken och Glafsfjorden................................................................................54 8.3.2 Stängd sluss.................................................................................................................................54 8.3.3 Effekter av klimatförändring .......................................................................................................55

8.4 KOMBINERADE ÅTGÄRDER ..................................................................................................................57 8.4.1 Ombyggt dämme .........................................................................................................................58 8.4.2 Kompensationsåtgärder vid barriärbygge ..................................................................................58 8.4.3 Negativa effekter i Harefjorden ..................................................................................................59 8.4.4 Realistiskt åtgärdspaket ..............................................................................................................59 8.4.5 Extremt åtgärdspaket ..................................................................................................................60

9 DISKUSSION OCH SLUTSATSER.......................................................................... 60

REFERENSER................................................................................................................ 64

BILAGOR

A.1 ÅTERKOMSTTID A.2 EDITORER I MIKE 11 A.3 EKOLODNING

A.3.1 Vattenytor och höjdfixa A.3.2 Djupbestämning vid GPS-position A.3.3 Atmosfäriska störningar och systematisk förskjutning A.3.4 Beräkning av bottennivåer i gemensamt höjdsystem A.3.5 Datagenomgång A.3.6 Interpolering av 3D-modell

A.4 SMHIS BERÄKNING AV FLÖDE GENOM DÄMMET A.5 PARAMETERVÄRDEN FÖR IHMS A.6 AREAUTVECKLING FÖR VATTENMAGASIN A.7 KALIBRERINGSPARAMETRAR FÖR FINKAN-MODELLEN

A.8 TABELL ÖVER KOMBINERADE ÅTGÄRDER B.1 RADIAL GATE

C.1 ÖVERSIKTSKARTA C.2 DELAVRINNINGSOMRÅDEN C.3 ORIENTERINGSKARTA

x

1

1 Inledning Under senhösten år 2000 och därpå följande vinter översvämmades Byälvens vattensystem i västra Värmland. I sjön Glafsfjorden steg vattennivåerna mer än tre meter över medelvattenstånd vilket drabbade intilliggande infrastruktur och fastigheter hårt (se fig. 1 - 1 och bilaga C1 - C3).

Stora insatser gjordes med hjälp av invallning och pumpning för att hålla vattnet borta och sannolikt lyckades man rädda stora värden samtidigt som vatten- och elförsörjningen säkrades och avloppssystemet hölls operationellt. Trots insatserna skedde direkta skador på fastigheter och dessutom orsakades ekonomisk skada genom att mycket näringsverksamhet fick avbrytas eller flyttas under perioden och tågtrafiken stoppades då banvallens säkerhet inte kunde garanteras. Den totala kostnaden för översvämningen har inte fastställts, kommunens utgifter har dock uppskattats till 89 miljoner kronor; skador på allmänna och enskilda vägar har av Länsstyrelsen i Värmland beräknats till cirka 150 miljoner kronor för hela Värmland (Svensson m.fl., 2002). Försäkringsbolagens kostnader uppskattas, enligt muntlig information från Länsförsäkringar (Olsson, 2004), till 100 miljoner kronor. Dessutom tillkommer kostnader för drabbade privatpersoner och företag. De största insatserna för att begränsa vattnets skadeverkningar ägnades Arvika stad (se fig. 1 - 2) även om högt vattenstånd orsakade stora problem även på andra ställen, runt Glafsfjorden och ner längs Byälvens sträckning till Harefjorden, Säffle och Vänern.

Figur 1 - 1 Turistbyrån i Arvika var ett av de hus som totalförstördes under översvämningen hösten 2000.

Foto: KommunTeknik / Arvika kommun 2000

2

Orsaken till översvämningen år 2000 var de stora regnmängder som föll under hösten. Det var en lång sammanhängande regnig period med en sammanlagd nederbörd på 388 mm i Arvika under oktober-november vilket motsvarar mer än tre gånger den normala nederbörden. Nedre delen av Byälvens avrinningsområde karaktäriseras av tämligen stora vattenmagasin som dräneras av ett vattendrag med liten lutning. Vid längre perioder av ihållande tillrinning fylls vattenmagasin som sedan tar lång tid att tömma. Höga vattenstånd i Glafsfjorden har förekommit tidigare. Den högsta registrerade nivån i Glafsfjorden var tidigare från 1904, då vattnet stod nästan lika högt som år 2000 (se fig. 1 - 3). Återkomsttid för det högsta vattenståndet år 2000 behandlas i bilaga A.1.

Figur 1 - 2 Temporära invallningsanordningar byggdes upp för att hålla nere vattennivåerna i vissa områden i Arvika. Pumpar pumpade vatten för att kompensera för läckage genom vallar och mark.

Foto: KommunTeknik / Arvika kommun 2000

3

Även om räddningsinsatsen som genomfördes i samband med översvämningen kan betecknas som lyckad blev händelseförloppet en väckarklocka för kommunen, som beslöt att utreda vilka åtgärder som kan vidtas för att man ska vara bättre förberedd, nästa gång en översvämning inträffar. Dessutom beslöts att utreda möjligheterna att minska framtida högvattenstånd. Som ett led i detta arbete sammanställdes en rapport av Nationellt centrum för älvskadeteknik1 som innehåller fältinventeringar, sammanställning av hydrologiska data, flödesanalys samt en översikt över åtgärdsalternativ (Svensson m.fl., 2002). Bland åtgärder som föreslagits för att minska framtida högvattenstånd kan nämnas ökning av magasinskapaciteten högre upp i avrinningsområdet, en ökning av Byälvens avbördningsförmåga och specifikt för Arvika stad en invallning av Kyrkviken. Rapporten från Nationellt centrum för älvskadeteknik redovisar resultaten från en enkel hydraulisk strömningsmodell (fortsättningsvis kallad KaU-modellen) som antyder att en minskning av extremnivåerna i storleksordningen 1-4 dm skulle gå att åstadkomma med åtgärder längs Byälven. Arvika kommun har främst utrett möjligheterna att valla in Kyrkviken, vilket skulle kunna begränsa de högsta vattennivåerna vid en översvämning i Arvika till cirka 46,8 m ö.h. En önskan att på ett mera detaljerat sätt utreda åtgärdsalternativ för att sänka vattenytan i hela Glafsfjorden har funnits, vilken realiseras i och med detta projekt i form av en hydraulisk modell. Modellen ska fungera som verktyg för att identifiera flödes-begränsningar i Byälven och bedöma effekter och konsekvenser av förändringar i dessa.

1 Numera Nätverket för älvsäkerhet (NÄS)

Figur 1 - 3 Fotografiet från 15 maj 1904 föreställer området öster om det nya stadshus som höll på att byggas i Arvika. Vattennivån nådde nästan lika högt som under översvämningen år 2000.

4

Säffle

Arvika

Vänern

Glasälve

n

Lillälven

Glafsfjorden

Harefjorden

Byälven

Figur 1 - 4 Översiktlig karta över Byälvens sträckning.

Utöver detta ska den även kunna simulera konsekvenserna av minskad magasinskapacitet i Glafsfjorden orsakad av en eventuell invallning av Kyrkviken och fungera som underlag för att ta fram detaljerade översvämningskartor. Modellen är hädanefter refererad till som FINKAN-modellen.

Byälven och dess avrinningsområde Byälven utgör vattnets väg från Glafsfjorden och ut i Vänern (se fig. 1 - 4). Det totala avrinningsområdet omfattar 4 785 km2 varav 3 709 km2 eller 77,5 % svarar mot avrinning som passerar minst en kraftstation innan de når Vänern. Cirka 28,5 % av avrinningsområdet ligger i Norge. Glafsfjorden utgör ett vatten-magasin med en yta av cirka 100 km2 från vilket Byälven utgör utloppet. Till Glafsfjorden kommer vatten genom turbiner eller spill från kraftstationerna i Jössefors och Glava samt genom direkt avrinning från oreglerade avrinningsområden. Från Glafsfjorden rinner Byälven söderut; inflöde sker från Lillälven (efter cirka 3,5 km) och sedan passerar älven de mindre magasinen Gillbergasjön och Dösslingen innan den efter 9 km rinner ut i Harefjorden, vilken har en yta på cirka 15 km2. Efter Harefjorden smalnar vattendraget åter av och rinner in i Säffle, där vattnet passerar Sjöfartsverkets anordning för reglering av flöde, kallad dämmet. Parallellt med detta finns en sluss som sjöfarten begagnar sig av vid passage upp och ner genom systemet. Efter att vattnet passerat dämmet och sedan Backe-strömmen återförenas huvudfåran med slusskanalen och rinner vanligen relativt lugnt ytterligare 5 km innan vattnet slutligen når Vänern. Detaljerade kartor återfinns i bilaga C. Karta C.1 är en översiktskarta, C.2 visar delavrinningsområden och C.3 är en orienteringskarta längs älvsträckningen med platser och objekt som nämns i rapporten utsatta. En mer detaljerad beskrivning av hydrologiska, hydrografiska och geologiska förhållanden i Byälvens avrinningsområde har gjorts av Svensson m.fl. (2002).

Målsättning Målet har varit att sätta upp en hydrologisk och hydraulisk modell av Byälvens nedre del, att med modellens hjälp identifiera flödesbegränsande faktorer, simulera förändringar av dessa för att beskriva ökad avbördningsförmåga i älven, vilket skulle minska risken för höga vattenstånd högt upp i älvsystemet. Modellen skall även kunna användas för att ta fram detaljerade översvämningskartor för de områden där den topografiska informationen är tillräckligt bra och för att simulera andra typer av händelseförlopp, exempelvis en barriär mellan Glafsfjorden och Kyrkviken. Modellens randvillkor och vattennivåer som används vid kalibrering ska i möjligaste mån vara korrigerade för felaktigheter i höjd-system. En ambition fanns också att undersöka skillnader mellan HBV-modellen och

5

Rainfall runoff, vilka båda är modeller avsedda för avrinningsberäkningar. Resultatet av arbetet skall slutligen, förutom att i form av en rapport redogöra för genomförda simuleringar, också innefatta en dokumenterad modell för fortsatt utveckling och användning. Modellen ska kunna användas inom NÄS för vidare hydrauliska studier av Byälven och på SMHI även för att prognostisera vattennivåer vid framtida översvämningssituationer.

2 Förutsättningar Redan innan arbetet med FINKAN-modellen inleddes existerade två hydrauliska modeller för Byälvssystemet. Dessa skiljer sig både i avseende på konceptuell uppbyggnad och i det att olika modellverktyg använts. Den ena (KaU-modellen) togs fram på Karlstad Universitet, vid NÄS, främst av Jan Forsberg för att undersöka möjligheterna att påverka höga vattenstånd i Glafsfjordens med åtgärder längs Byälven (Svensson m.fl., 2002). Den andra (Räddningsverkets modell) byggdes upp i samband med att Räddningsverket gjorde en översiktlig översvämningskartering av Byälvens vattensystem (Räddningsverket, 2002). Möjlighet att närmare studera båda modellerna fanns under arbetets gång, KaU-modellen helt öppet och Räddningsverkets modell genom avtal mellan Räddningsverket och Arvika kommun.

2.1 KaU-modellen Modellen bygger på Bernoullis ekvation för inströmning och Mannings formel för flöde i öppen kanal och utgör en 1-dimensionell modell som är att betrakta som kvasistationär (se kap. 3.4.7). I princip bygger modellen på tre vattenmagasin motsvarande Glafs-fjorden, Gillbergasjön och Harefjorden, sammanbundna av två prismatiska kanaler. Beräkningarna utförs för dessa fem celler där vattenstånd och flöde beräknas för varje tidssteg som i modellen satts till ett dygn. Modellen är konstruerad med simulerings-verktyget Simulink som är en modul i programvaran MATLAB. Inflöden i form av avrinning och punktinlopp utgörs av punktkällor in i magasinen och i ett fall (Lillälven) till en kanalsträcka. Som inflöden användes uppmätta flöden där sådana finns i samband med vattenkraftstationer. För delavrinningsområden där inga flödesregistreringar fanns att tillgå beräknades avrinning utifrån nederbörd så att ett registrerat dygns nederbörd avtagande påverkade avrinningen under fyra dygn framåt. Dessutom multiplicerades avrinningen med en avrinningskoefficient som ökades i takt med att markfuktigheten ökade under hösten. Som utflöde och nedre randvillkor användes en av SMHI uppskattad hydrograf för Säffleströmmen placerad i det nedersta magasinets nedre rand, vilket i verkligheten motsvarar att SMHIs flödesuppskattning för Säffle flyttats upp till Hare-fjordens utlopp. Modellen innefattar också en grunddamm/tröskel mellan mellersta och nedre vattenmagasinet, tänkt att motsvara Hökeströmmen. KaU-modellen kalibrerades sedan så att vattennivån, i första hand i Glafsfjorden, i andra hand i Harefjorden, sammanfaller med uppmätta värden. Som kalibreringsparametrar användes förutom älvsträckans råhet2 också ett antal parametrar som beskriver kanalernas utseende och tvärsnittsarea. Eftersom denna modell använder flödet i Säffleströmmen som nedre randvillkor kan detta flöde inte användas för att kalibrera modellen. För att

2 Råheten beskriver hur skrovlig en yta är och därmed hur mycket friktionsmotstånd som uppstår vid flöde

6

uppnå samma höga vattenstånd som registrerats i Arvika under översvämningen minskades också Glafsfjordens magasinerande sjöarea med 8 %. Anpassningen av modellen till vattenstånd i Glafsfjorden blev mycket bra medan anpassningen till vattenstånd i Harefjorden överensstämmer mindre bra. Modellen kalibrerades under översvämningsperioden 2000-09-01 – 2000-12-31 och avviker under denna period mindre än 15 cm från uppmätta nivåer i Glafsfjorden. KaU-Modellen ligger som helhet i höjdreferenssystem RH00 och hänsyn har inte tagits till variation i detta höjdsystem mätplatser emellan. Modellen är uppbyggd så att parametrar som man har dålig kännedom om kan sättas till ett uppskattat värde som sedan justeras vid kalibrering så att modellen får bra överensstämmelse med verkligheten. Många gånger kan flera parametrar som motsvarar olika fysikaliska egenskaper i verkligheten påverka exempelvis vattenstånd på samma sätt. Att som i fallet med denna modell ha ett stort antal parametrar att kalibrera modellen med gör att man kan få en god överensstämmelse till uppmätta vattenståndsserier på flera olika sätt. Exempelvis kan en smal och slät kanal bidra med samma genomströmning som en bred och skrovligare kanal. För att få en robust modell som uppför sig på ett bra sätt även i andra situationer än den som använts vid kalibreringen är det viktigt att i så stor utsträckning som möjligt ha värden på de individuella parametrarna som stämmer med verkligheten och inte bara få bra överensstämmelse jämfört med de nivåer man kalibrerar mot. Eftersom kunskapen om Byälvens botten- och strandtopografi var dålig då KaU-modellen byggdes upp ändrades kanalutseendet vid kalibreringen. Med dåvarande kunskapsbas var detta nödvändigt men med bättre kunskap om topografin kan man reducera mängden kalibreringsparametrar och få en modell mera trogen verkligheten. Eftersom det nedre randvillkoret i KaU-modellen utgörs av ett flöde som uppskattats av SMHI, är flödet helt bestämt för perioden och påverkas inte av variabler i modellen som exempelvis vattenståndet i Harefjorden, vilket i verkligheten är en av de viktigaste styrande parametrarna för utflödet. Detta innebär att modellen måste simulera vatten-nivån i Harefjorden helt rätt för att utflödet skall stämma, och även detta antagande bygger på att SMHIs uppskattning av flödet är helt korrekt. Effekten blir att modellen är mycket känslig för en felaktigt simulerad vattennivå i Harefjorden eftersom den kompenserande effekten av en för hög simulerad vattennivå skulle dämpas av ett ökat flöde uteblir. De modellsimuleringar som utfördes med KaU-modellen visar att åtgärder längs Byälven mycket väl kunde minska de maximala vattennivåerna vid en översvämning men modellen har inte tillräcklig upplösning för att kunna identifiera specifika sådana åtgärder. De minskningar av vattenytan i Glafsfjorden som simuleringarna med KaU-modellen resulterat i varierar mellan cirka 1 - 4 dm.

2.2 Räddningsverkets modell Räddningsverket har med hjälp av SMHI konstruerat en modell över Byälven i MIKE 11, vilket är samma simuleringsverktyg som används i arbetet med FINKAN-modellen. Modellen togs fram för att fungera som verktyg då översiktliga översvämningskartor skulle tas fram för området. Den är uppbyggd av tvärsnitt som tagits fram med hjälp av höjdkurvor från Gröna Kartan, broritningar och sjödjupskartor (Räddningsverket, 2002).

7

Totalt spänns modellen upp av 65 tvärsnitt längs en sträcka av 76,2 km. Räddnings-verkets modell sträcker sig hela vägen ner till Vänern vars vattennivå används som nedre randvillkor. Då modellen satts upp med tvärsnitt och randvillkor konstaterades att en körning av modellen med standardinställning av flödesmotstånd gav vattenstånd som under den simulerade perioden, 2000-11-07 – 2000-12-06, avvek mindre än 20 cm från uppmätta värden. Ingen vidare justering gjordes enligt muntliga uppgifter från SMHI för att ytterligare anpassa modellen till förhållandena i det modellerade vattendraget. Räddningsverkets modell ligger som helhet i höjdreferenssystem RH70. (Yacoub, 2004)

2.3 Möjliga förbättringar De viktigaste förbättringarna i relation till tidigare modeller är att bygga FINKAN-modellen på exaktare och mer topografisk information. En modell baserad denna höjdinformation kan bättre beskriva flödessamband jämfört med Räddningsverkets modell och minska antalet kalibreringsparametrar jämfört med KaU-modellen. Med en modell som fysikaliskt bättre beskriver verkligheten finns också större möjligheter att kunna använda den på flödessituationer som skiljer sig från dem som rådde under den period modellen kalibrerats för. Detta är en förutsättning för att den skall kunna användas för att studera intressanta förändringar av förhållanden längs älven. Då arbetet inleddes rådde en ganska spridd förvirring angående i vilka referenssystem olika vattennivåer som användes vid kalibrering och som randvillkor i de tidigare modellerna var registrerade i. Även avrinningsberäkningar och randvillkor i form av inflöden skulle visa sig gå att förbättra jämfört med tidigare modeller.

3 Mjukvara I FINKAN-modellen beskrivs hydrologiska och hydrauliska processer. För teoretisk beskrivning av hydrologiska processer hänvisas till litteratur inom området, de hydrauliska samband som används vid modellerandet redogörs för i kapitel 3.4.4 efter en översikt av använda program. I arbetet har framförallt tre olika programpaket använts. Höjdmodellen har konstruerats i GIS-programmen ArcView 3.1 och ArcGIS 8.2/9.0 från ESRI med tilläggen (eller Extensions) Spatial Analyst 1.1 och 3D Analyst 1.0. Beräkning av avrinning från områden där flöden inte finns uppmätta har gjorts med IHMS 4.5 från SMHI. Det hydrauliska modelleringsprogram som använts är MIKE 11 2003b, SP3 från DHI Water & Environment med insticksprogrammet MIKE 11 GIS 2002, SP2 och tillbehöret (eller Add-On Module) Structure operations. Analys av resultat från MIKE 11 har gjorts i MIKE View 2003. En schematisk bild av programanvändandet visas i figur 3 - 1.

8

Figur 3 - 1 Översikt av de program som har använts för att skapa FINKAN-modellen samt hur information har överförts mellan dem. Vid konstruktion av modellen har arbetet i princip utförts från nederkant av figuren och uppåt.

3.1 ArcView och ArcGIS För databehandling vid framställning av höjdmodell, hydrologiska modellparametrar till IHMS, illustrationer av topografi och kartor har ArcView och ArcGIS licensierat vid Karlstad universitet använts. Tillgång fanns även till en demoversion av ArcGIS. Programmen är mycket spridda och för mera detaljerad information hänvisas till generalagenten, ESRI Sweden.

3.2 IHMS För avrinningsberäkningar från de områden som inte är reglerade och för vilka det därmed inte finns flöden registrerade användes modelleringsverktyget IHMS, för vilket tillgång fanns till en studentlicens. Verktyget bygger på den konceptuella HBV-modellen som ursprungligen utvecklades på SMHI 1976 (Bergström, 1976) och vidareutvecklades till en uppdaterad modell, kallad HBV -96, på SMHI 1996 (Lindström m.fl., 1996). Modellverktyget har genom dess stora spridning blivit standard för avrinnings-modellering i Sverige. Kort kan modellen beskrivas som en konceptuell ickedistribuerad boxmodell. Ett visst mått av areell distribution kan åstadkommas genom att flera delavrinningsområden kan kopplas ihop till ett större avrinningsområde för att efterlikna verkliga förhållanden. För mer detaljerad information om IHMS hänvisas till manualen (SMHI, 2004).

Editorer

MIKE 11

(ej använd i slutgiltiga FINKAN-modellen)

IHMS MIKE 11 GIS

ArcView/ArcGIS

Simulation

Cross Section Boundary Rainfall runoff Hydrodynamic River Network

MIKE View

9

3.3 MIKE 11 GIS MIKE 11 GIS utgör ett insticksprogram3 till ArcView och fungerar både som ett kommunikationsverktyg mellan GIS-miljön och MIKE 11 för att överföra topografisk information och som ett verktyg för att geografiskt analysera resultat från översvämningssimuleringar i MIKE 11. Programmet är långsamt då stora datamängder hanteras, vilket är fallet med stora och detaljerade höjdmodeller. Dessutom är programmet buggigt och havererar ofta. Licens för MIKE 11 GIS och MIKE 11 fanns tillgänglig vid Karlstad universitet, genom en ekonomisk uppgörelse med Arvika kommun.

3.4 MIKE 11 MIKE 11 är ett modelleringsprogram som används för att beskriva vattendrags hydrauliska egenskaper bl.a. utifrån information om vattendragets topografi, inflöden och utflöden. MIKE 11s beskrivning av vattendrag är 1-dimensionell, vilket innebär att hänsyn endast tas till skeenden i vattendragens flödesriktning. Fel kan uppkomma om förenkling av strömning till en dimension inte beskriver verkliga situationer på ett nöjaktigt sätt. Exempelvis i situationer där det i verkligheten orsakas en vattenström på tvärs mot huvudflödet, vilken "skär av" huvudflödet och minskar den effektiva tvärsnittsarean som bidrar till älvens flöde.

3.4.1 Editorer i MIKE 11 Då en modell skapas görs detta i flera separata editorer som var och en beskriver en del av modellen (se fig. 3 - 1). Simulation Editor är den centrala delen i MIKE 11, där de olika editorerna länkas samman. Där specificeras simuleringsinformation som simuleringsperiod och tidssteg och det är även därifrån som simuleringar startas. Vattendragets övergripande utseende som dess längd och positioner för förgreningar specificeras i River Network Editor, vilket även gäller speciella anordningar som exempelvis broar. I Cross Section Editor beskrivs vattendragets topografi med tvärsektioner utspridda längs hela vattendraget. Randvillkor specificeras i Boundary Editor och består vanligtvis av flödesserier eller vattenståndsserier. Förutom nödvändiga randvillkor i början och slutet av modellen beskrivs också andra randvillkor, som exempelvis inflöden längs vattendraget. I Hydrodynamic Editor specificeras bl.a. initialvärden för flöden och vattenstånd, flödesmotstånd och speciella simuleringsinställningar. Skärmdumpar från de olika editorerna finns i bilaga A.2.

3.4.2 Structure operations Möjligheter att beskriva speciella anordningar i ett vattendrag som påverkar flödet och inte kan beskrivas endast med tvärsektioner finns tillgängliga i tillbehöret Structure operations och specificeras i River Network Editor. En mängd olika anordningar som exempelvis trösklar, pumpar, kulvertar och broar finns att välja på som beskriver specifik flödespåverkan från dessa. Dessa speciella anordningar kan ge upphov till snabba förändringar av flöden och vattenstånd, med vågbildning som följd. Detta gör att de lätt orsakar numerisk instabilitet, vilket förstärks av att de påverkar flödet på en specifik plats och inte längs en sträcka. Då Structure operations används kan därför kortare tidssteg 3 Tillbehör till ett program.

10

vara nödvändigt och dessutom kan simuleringsinställningar i Hydrodynamic Editor behöva justeras (DHI, 2003b).

3.4.3 Flödesmotstånd Flödesmotståndet kan i MIKE 11 anges på flera olika sätt: • Enligt Mannings beskrivning av flödesmotstånd där motståndet anges som

Mannings M (Mannings tal) eller Mannings n, där n = M -1 • Enligt Chézys beskrivning där flödesmotståndet anges som Chézys

koefficient C • Mannings n anges som en funktion av lokala och tidsspecifika parametrar

som vattenhastighet, hydraulisk radie och vattendjup • Mannings n hämtas ur en tabell där det anges för olika vattenhastigheter ur

vilken n linjärinterpoleras för aktuell vattenhastighet Flödesmotstånd kan varieras fritt längs älvsträckningen. I tvärsnitten kan motståndet varieras på ett antal olika sätt: oberoende av vattenstånd, med en indelning där flodfåran delas in i tre olika höjdzoner för vilka olika motstånd kan anges (se fig. 3 - 2) eller helt fritt.

3.4.4 Hydrodynamiska grundekvationer Att MIKE 11 är ett 1-dimensionellt simuleringsverktyg betyder att strömnings-förhållanden varieras endast längs älvsträckningen och inte med avstånd till botten eller strandkant. Grunden i MIKE 11 beskriver ickestationär kanalströmning med Saint Venants ekvationer för bevarande av massa och rörelsemängd i en dimension (DHI, 2003b). Olika lösningsmetoder för dessa ekvationer finns att tillgå i simulerings-programvaran. Då vågapproximation Fully Dynamic eller Higher Order Fully Dynamic väljs löser MIKE 11 alla termer i Saint Venants ekvationer för varje beräkningspunkt och varje tidssteg. För att förkorta beräkningstiden finns ytterligare två vågapproximationer, Diffusive Wave och Kinematic Wave. De senare är förenklingar av de förra och används för att minska simuleringstiden då det kan säkerställas att en förenkling av våg-

zon 3

zon 2

zon 1

Figur 3 - 2 Tvärsektion av ett vattendrag med indelning av höjdzoner, i vilka olika flödesmotstånd kan specificeras.

11

approximationen inte påverkar beräkningarna alltför mycket. Diffusive Wave bortser från rörelsemängd hos vattnet och Kinematic Wave antar jämvikt mellan gravitationskrafter och friktionskrafter vid flöde (DHI, 2003b). Generellt rekommenderas användning av Higher Order Fully Dynamic om inte speciella omständigheter motiverar något annat (DHI, 2003a). Fully Dynamic och Higher Order Fully Dynamic skiljer sig i det att den senare innehåller en beskrivning av friktionstermermen i Saint Venants momentekvation av högre grad som gör att längre tidssteg kan användas med bibehållen numerisk stabilitet. Emellertid tillåter inte Higher Order Fully Dynamic i MIKE 11 att flödesmotståndet specificeras olika för olika höjdzoner i ett och samma tvärsnitt på det sätt som beskrivs i kapitel 3.4.3. Då MIKE 11 löser Saint Venants ekvationer med vågapproximationen Fully Dynamic beskrivs flödet med följande antaganden: • Vattnet är inkompressibelt och homogent (konstant densitet) • Bottenlutningen är liten • Våglängder är stora i förhållande till vattendjupet vilket innebär att

strömningen kan anses vara parallellt med botten vilket betyder att vertikala accelerationskrafter ignoreras och att hydrostatisk tryckvariation antas längs den vertikala vattenprofilen

• Flödet är subkritiskt (strömmande) För en rektangulär kanal (med bredd b och höjd H) skrivs Saint Venants ekvationer för bevarande av massa (3 - 1) respektive rörelsemängd (3 - 2) som:

0)()(=

∂∂

+∂

∂tbH

xvbH ρρ (3 - 1)

0)()'( 2212

=∂

∂+

∂+∂

tvbH

xbgHvbH ρρρα

(3 - 2)

med följande beteckningar: α' vertikal hastighetsfördelningskoefficient [-] ρ vattnets densitet [kg·m-3] b kanalens bredd [m] g tyngdacceleration [m·s-2] H vattendjupet [m] v medelhastighet [m·s-1]

t∂∂

partiell derivata med avseende på tid [s-1]

12

x∂∂

partiell derivata längsmed älvsträckningen [m-1]

För att hantera varierande kanalbredd längs älvsträckningen, x

b∂∂ [-], och lutande botten,

Ib [-], läggs två termer till rörelsemängdsekvation (3 - 2) vilket ger:

02

)()'( 22212

=+⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛∂∂

+∂

∂+

∂+∂

bbgHIgHxb

tvbH

xbgHvbH

ρρρρρα (3 - 3)

Eftersom modelluppbyggnaden sker kring en given höjdreferensnivå och inte relativt älvens bottennivå substitueras vattendjupstermen mot en vattennivåterm. Vattenytans lutning relativt en höjdreferensnivå blir då lika med bottenlutningen Ib plus vattenytans lutning mot botten x

H∂∂ (se ekv. (3 - 4)). Slutligen divideras ekvationerna (3 - 1) och (3 - 3) med

ρ och ekvationerna (3 - 5) och (3 - 6) erhålls. x

Hbx

h I ∂∂

∂∂ += (3 - 4)

0)()(=

∂∂

+∂

∂t

bHx

vbH (3 - 5)

0)()'( 2

=∂

∂+

∂∂

+∂

∂t

vbHxhbgH

xvbHα (3 - 6)

Dessa ekvationer beskriver 1-dimensionellt flöde genom tvärsnitt med godtyckligt utseende då det delas upp i ett antal parallella tvärsnitt enligt figur 3 - 3.

b

H

B

∂x

Figur 3 - 3 Principskiss över ett godtyckligt tvärsnitt i ett vattendrag med en beräkningscell markerad och beteckningar utskrivna.

13

Följande storheter införs: B total bredd över tvärsnitt [m]

∫=B

bHA0

d tvärsnittsarea [m2] (3 - 7)

vAbvHQB

== ∫0

d totalflöde [m3s-1] (3 - 8)

Integrering av ekvationerna (3 - 5) och (3 - 6) med avseende på b och insättning av (3 - 7) och (3 - 8) ger om den vertikala hastighetsfördelningskoefficienten är lika för hela tvärsnittet (enl. villkor (3 - 9)) ekvationerna (3 - 5) och (3 - 6). αα =' (3 - 9)

0=∂∂

+∂∂

tA

xQ (3 - 10)

0

2

=∂∂

+∂

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛∂

+∂∂

xhAg

xA

Q

tQ

α (3 - 11)

För att slutligen få fram de ekvationer som MIKE 11 använder läggs laterala flöden q till massbalansekvationen (3 - 10) för att beskriva till och frånflöden från det modellerade vattendraget längs dess sträckning. Friktionsmotstånd läggs till rörelsemängdsbalans-ekvationen (3 - 11) och beskrivs exempelvis med motstånd enligt Mannings formel4 med termen 3/42RAM

QgQ (DHI, 2004). Detta ger:

0=−∂∂

+∂∂ q

tA

xQ (3 - 12)

03/42

2

=+∂∂

+∂

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛∂

+∂∂

RAMQgQ

xhAg

xA

Q

tQ

α (3 - 13)

Där M [m⅓s-1] betecknar Mannings M och R [m] är den hydrauliska radien.

3.4.5 Bestämmande sektioner och stråkande vatten Ekvationerna i kapitel 3.4.4 beskriver endast subkritiskt flöde och MIKE 11 simulerar i egentlig mening inte stråkande vatten. För att ändå efterlikna bestämmande sektioner och stråkande vatten modifieras rörelsemängdsbalansen (3 - 13) så att accelerationstermen (den andra termen i ekvation (3 - 13)) gradvis försvinner då Froudes tal (F) närmar sig 1 (flödet närmar sig stråkande):

4 Absolutbeloppet i Mannings formel tillkommer av beräkningstekniska skäl i MIKE 11.

14

03/42

2

=+∂∂

+∂

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛∂

+∂∂

RAMQgQ

xhAg

xA

Q

tQ

αβ (3 - 14)

där β är en faktor som beskriver dämpningen av accelerationstermen. β bestäms av F så att för fall då den horisontella upplösningen i modellen är grov och/eller avståndet mellan beräkningspunkterna är mycket större än vattendjupet.

⎩⎨⎧

>≤−

=1 Fför 01 Fför 1 2F

β (3 - 15)

Konstruktionen har bra stabilitetsegenskaper men har visat sig ge en sämre beskrivning av flöden och vattenstånd för fall med höga F då djupet varit stort i förhållande till avståndet mellan beräkningspunkterna. För sådana fall bestäms β av F så att

( )⎪⎩

⎪⎨

⎧

>−+

≤=

MaxMaxF

Max

FroudeExp Fför 1

1 Fför 1

β (3 - 16)

där Max och FroudeExp utgör parametrar som kan varieras inom en bestämd domän men rutinmässigt sätts till 1,0 respektive 2,0. Konstruktionen har något sämre stabilitets-egenskaper än den förra men ger en mer korrekt beskrivning av flödesförhållanden för höga F. Test har visat att båda metoderna ger relativt goda approximationer av vattenstånd och flöden precis uppströms och nedströms en övergång från stråkande till subkritisk strömning men inte korrekt beskrivning av det vattensprång som utgör den egentliga övergången (DHI, 2003b).

3.4.6 Lösningsmodell Ekvationslösningen i MIKE 11 är principiellt likvärdig oberoende av vilken våg-approximation som används (se kap. 3.4.4). Grundläggande för lösningsmodellen är det schema av beräkningspunkter, Q- och h-punkter, som sätts upp i modellen. Det definierar de punkter där flöde respektive vattennivå beräknas i varje tidssteg. Modellpraktiskt går det till så att en h-punkt automatiskt sätts i varje definierat tvärsnitt samt eventuellt på ytterligare ställen där användaren definierat tvingade h-punkter. Dessutom sätts fler punkter jämnt fördelade där avståndet mellan h-punkter är längre än vad som tillåts i modellen. Därefter definieras Q-punkter automatiskt mitt emellan alla h-punkter. Upplägget är illustrerat i figur 3 - 4. Modellen sätter upp ekvation (3 - 12) och (3 - 13) i ett beräkningsschema så att vattennivåer beräknas i varje h-punkt och flöde i varje Q-punkt för varje tidssteg.

15

Den numeriska lösningsmodellen baseras sedan på en implicit finit differensmetod kallad 6-punkters Abbot-schema (Abbot och Ionescu, 1967) som närmare beskrivs i MIKE 11s referensmanual (DHI, 2003b). Tidssteget kan endera definieras som konstant, tabellerade tidssteg eller med så kallat Adaptive Time step. Med den sista varianten anpassas tidssteget automatiskt så att snabba och drastiska händelseförlopp simuleras på ett detaljerat sätt samtidigt som längre och mindre föränderliga perioder simuleras med längre tidssteg.

3.4.7 Stationär, kvasistationär och dynamisk modellering Vid stationär modellering beräknas flöden och vattenstånd längs ett vattendrag utifrån ett övre och ett nedre randvillkor, där båda randvillkoren är konstanta. Om stationär beräkning görs för flera efter varandra följande tidssteg, där randvillkoren tillåts ändras mellan varje tidssteg, kallas modelleringen kvasistationär. Dynamisk modellering sker efter samma princip som kvasistationär modellering, med skillnaden att hänsyn tas till accelerationstermer i de hydrauliska grundekvationerna (se kap. 3.4.4). Då det sker snabba förändringar av flöden och vattenstånd kan accelerationstermer inte försummas och alltså måste dynamisk modellering användas. Detta gäller exempelvis vid dammbrott och därav uppkomna vågor. Dessa vågor fortplantas med en hastighet som beskrivs av: gyvvåg = (3 - 17) med följande beteckningar: g tyngdacceleration [m·s-2] y vattendjup [m] För att kunna beskriva fortplantning av vågor får en kontrollvolym vatten inte transporteras förbi mer än en till två beräkningspunkter per tidssteg, vilket kan uttryckas av villkoret (DHI, 2003b):

h-punkt Q-punkt

h-punkt

Figur 3 - 4 Skissen föreställer en bit av den modellerade älvsträckan mellan två tvärsnitt, vid vilka h-punkter är placerade. Mitt emellan h-punkterna är en Q-punkt definierad. Tvärsnitten är markerade som tjocka svarta linjer.

16

2)(eller 1≤∆∆xtv (3 - 18)

med följande beteckningar: v vattnets hastighet [m·s-1] ∆t tidssteg vid modellering [s] ∆x avstånd mellan beräkningspunkter [m] Vid stationär och kvasistationär modellering behöver ingen hänsyn tas till villkoret i ekvation (3 - 18) för val av tidssteg utan detta görs istället utifrån hur ofta randvillkoren ändras, vilket innebär att betydligt längre tidssteg kan användas. Om randvillkoren specificerats glesare än längden på ett tidssteg interpoleras de i MIKE 11 till varje tidssteg (DHI, 2003b). Detta innebär att simuleringen blir mer detaljerad då tidssteg kortare än tiden mellan specificerade randvillkor används, även då kvasistationär modellering används. Om dynamisk modellering används med tidssteg som är mycket längre än beräknat med ekvation (3 - 18), fås i praktiken kvasistationär modellering. Detta eftersom hög tidsupplösning krävs för att beskriva vågbildning, och vågorna hinner klinga av under ett alltför långt tidssteg. MIKE 11 är främst avsett för dynamisk modellering, men möjligheter finns även till kvasistationär modellering.

3.4.8 Stabilitet samt relation mellan tidssteg beräkningsavstånd Stabiliteten hos modellen beror framförallt på förhållandet mellan intilliggande beräkningspunkter ∆x och tidssteg ∆t. Då avståndet mellan intilliggande beräknings-punkter minskas bör också tidssteget minskas (DHI, 2003b). Alltså är det en fördel om antalet beräkningspunkter kan hållas lågt och därmed ett långt tidssteg kan användas, vilket ger kort simuleringstid. Dock måste tvärsektioner, och därmed h-punkter, specificeras med tillräckligt kort avstånd för att förändringar av botten- och strand-topografin längs älvsträckningen ska beskrivas. Ett kriterium för val av ∆x och ∆t är att de ska vara tillräckligt små för att kunna beskriva icke-linjära förändringar i läge och tid. Ett riktmärke för val av ∆x är att ett tillräckligt antal (30-50 st.) beräkningspunkter behövs per våglängd, där en våglängd definieras i (3 - 19) och en plötslig flödestopp orsakad av kraftigt regnfall kan ha en vågperiod på ett par timmar (DHI, 2003b). gyTL vågvåg = (3 - 19) med följande beteckningar: Lvåg våglängd [m] Tvåg vågperiod [s] g tyngdacceleration [m·s-2] y vattendjup [m] För att få en indikation om lämpligt tidssteg vid dynamisk modellering kan Courant-talet Cr användas, vilket definieras som:

17

x

tgyvCr ∆

∆+=

)( (3 - 20)

med följande beteckningar: v vattnets hastighet [m·s-1] g tyngdacceleration [m·s-2] y vattendjup [m] ∆t tidssteg [s] ∆x avstånd mellan närliggande h-punkter [m] Courant-talet uttrycker hur många beräkningspunkter en våg orsakad av en liten störning passerar under loppet av ett tidssteg. Den finita differensmetoden som används i MIKE 11 tillåter Courant-tal upp till 10-20 om flödet är klart subkritiskt. I vissa mycket speciella fall har simuleringar kunnat göras med Courant-tal på 250 (DHI, 2003b). Anledningen till att stabilitet kan fås för så stora Courant-tal är att beräkningsmotorn i MIKE 11 innehåller avancerade lösningsmetoder anpassade för just detta. Även val av vågapproximation har betydelse för vilka Courant-tal som är nödvändiga för att uppnå god stabilitet.

3.5 MIKE View För att studera resultatfiler från MIKE 11 måste det separata programmet MIKE View användas. I detta kan resultatfiler visualiseras och analyseras; simuleringar kan vid kalibrering jämföras med uppmätta serier. MIKE View har även använts för att exportera data som lämpat sig bäst för analys och presentation i andra program.

4 Höjdmodell I detta kapitel behandlas förfarandet då en detaljerad höjdmodell togs fram för att ha som underlag för det vidare arbetet med simuleringarna. För att göra hydrauliska beräkningar i vattendrag behövs god kännedom om botten- och strandtopografi. Botten och strändernas utformning bestämmer hur stort tvärsnitt vattnet kommer att rinna genom vid olika vattenstånd, samtidigt som olika utseenden på tvärsnitt ger olika flödesförhållanden. Vid tidigare beräkningar för Byälven har broritningar och enstaka direkt i älven uppmätta tvärsnitt använts (se kap. 2.2). I andra fall har vissa parametrar i tvärsnittens utseende använts som kalibreringsparametrar vid modellanpassningen (se kap. 2.1). För att minska denna felkälla har mer detaljerad höjddata sammanställts till en heltäckande höjdmodell ur vilken man kan ta fram tvärsnitt för valfri plats längs älvsträckan. Höjdmodellen som konstruerats täcker den svenska delen av Byälvens avrinningsområde och endast topo-grafin ovanför normalt vattenstånd. För sjöar och vattendrag som är speciellt intressanta för hydrauliska beräkningar i FINKAN-modellen finns även information om bottentopo-grafin. Upplösningen varierar från att vara hämtad från Lantmäteriets GSD5-höjddata med grov upplösning och relativt stora fel till högupplösta höjddata från laserbaserad helikopterscanning längs Byälven. Variationen är sådan att modellen är högupplöst i för modellen kritiska områden och grov i områden som inte alls eller mycket lite påverkar modellen.

5 GSD är Geografiska Sverigedata från Lantmäteriet

18

4.1 Höjddata Fyra olika typer av höjddata har inhämtats för att ge en tillräckligt detaljerad men samtidigt hanterbar digital höjdmodell.

4.1.1 GSD-Höjddata Höjddata i rutor om 50×50 meter finns tillgängliga för hela Sverige hos Lantmäteriet. Höjdfelet är relativt stort. Ett geometriskt medelfel på högst 2,5 m eftersträvas (Lantmäteriet, 2004) vilket gör att information från GSD-höjddata lämpar sig bra för illustrationer och beräkningar av exempelvis vattennivå-volym-förhållanden i större vattenmagasin men inte är tillräckligt detaljerad för att utgöra grund till tvärsnitt i vatten-draget eller detaljerad översvämningskartering. GSD-höjddata beskriver sjöar som plana ytor motsvarande vattenytan. Datamängden för hela avrinningsområdet (svenska delen) upptar drygt 13 Mbyte. Vid konstruktion av topografisk modell sattes höjdpunkter i mitten av de rasterrutor om 50×50 m som de representerar.

4.1.2 Laserscanning Topografin över landområden längs vattendraget som kan komma att översvämmas vid höga flöden är mycket viktig för de hydrauliska beräkningarna, eftersom den bestämmer vilka områden som kommer att bidra till flöde och vilka som inte kommer att göra det. För att med hög noggrannhet kartera strandzonen anlitades, genom Arvika kommuns försorg, SWECO som genom sin entreprenör TopEye utförde helikopterbaserad lasers-canning och flygfotografering av utvalda områden längs Byälven. Från 400 meters flyghöjd registrerades knappt 11 miljoner höjdpunkter med stor noggrannhet (<20 cm). Mätpunkterna är slumpmässigt placerade i mätområdet men motsvarar en ungefärlig datatäthet på 0,3 - 0,4 punkter per kvadratmeter. Datamängden upptar hela 334 Mbyte.

4.1.3 Ekolodning Ekolodning av intressanta partier längs älvsträckan utfördes på uppdrag av Arvika kommun 2004-04-21 – 2004-04-27. Fältarbetet utfördes inte som en del av detta examensarbete och tillvägagångssätt beskrivs i detalj i bilaga A.3. Sammanfattningsvis resulterade lodningsarbetet i en bottenkarta med varierad detaljrikedom. Trånga och varierande älvsträckor kartlades mera noggrant än uniforma och breda sektioner. Eko-lodning gjordes från Björnöflagans nedre del ner till Harefjorden och från Harefjorden och fram till kanalöns norra ände i Säffle och vidare ner i slusskanalen fram till övre slussluckan. Av praktiska skäl lodades inte området strax ovanför dämmet och Backe-strömmen. Sträckan från slussen ner till Vänern ekolodades inte heller.

4.1.4 Djup från sjökort - FM För att få en grov uppfattning om bottentopografin för sjöarna Glafsfjorden och Harefjorden samt Byälvens utlopp i Vänern digitaliserades ett antal djuppunkter från sjökort. Digitalisering gjordes av djup från Sjökort #134 ”Arvika-Säffle-Köpmannebro” (Sjöfartsverket, 2000). Djupen på sjökorten gäller från två vattennivåer, 43,80 m ö.h. nedanför slussen i Säffle och 44,90 m ö.h. ovanför. Djuppunkterna subtraherades från korresponderande vattenyta vilket gav ett mindre antal nivåpunkter som beskrev bottentopografin på ställen där noggrannheten inte behöver vara hög.

19

4.2 Datareduktion Totalt upptar rådata i form av höjdinformation för området över 350 Mbyte. Med tillgänglig beräkningskapacitet är så stora datamängder inte hanterliga, dels inte av själva simuleringsprogramvaran, men framförallt inte av den GIS-mjukvara som används vid databearbetning. Mycket av de rådata som finns är dock överflödig eller onödigt detaljerad och den topografiska modellen går därför att förenkla. Data från laser-scanningen representerar den största datamängden. För att kunna reducera datamängden utan att förlora detaljrikedom i de viktigaste områdena, närmast älvfåran, delades laser-datamängden upp i två kategorier; höjdpunkter närmare än 100 m från älvfåran respektive höjdpunkter längre bort än 100 m från älvfåran6. Höjdpunkter inom buffertzonen runt älven behölls medan punkterna längre bort reducerades slumpmässigt med 95 %.

4.3 Sammanfogning För att slutligen konstruera en sammanhängande höjdmodell för hela området kombinerades de fem olika tidigare förberedda (se kap. 4.1 och 4.2) datamängderna (GSD-höjddata, gles laserdata utanför buffertzon, tät laserdata från buffertzon, från sjökort digitaliserade bottendata och ekoloddata) till en sammanhängande modell. Höjdpunkter från de fem olika skikten kombinerades och användes som noder vid triangulering till en sammanhängande TIN(Triangulated Irregular Network)-modell. Kombinationen av fyra av datakategorierna illustreras för ett utsnitt strax norr om Säffle tätort i figur 4 - 1.

6 Urskiljningen gjordes i GIS-miljö med buffertzoner runt vattendraget istället för med höjdvillkor av praktiska skäl.

GSD höjddata

Höjddata från laserscanning

Djup från ekolodning

Figur 4 - 1. Den kompletta höjdmodellen (t.h.) grundar sig på data med olika kvalitet från olika källor. Komponenterna (t.v.) har olika upplösning och hämtas för olika områden så att kritiska områden täcks av detaljerad topografisk information medan mindre kritiska områden endast beskrivs med en grov höjdmodell. Bilden visar ett utsnitt en bit norr om Säffle centrum.

20

5 Flöden Viktiga komponenter i hydrauliska modeller är in- och utflöden, då de kan användas som randvillkor. Vissa inflöden till Byälven är kontinuerligt registrerade sedan en längre tid, andra finns i kortare tidsserier. Inflöden från mindre vattendrag och direktavrinning finns inte registrerade. För att få heltäckande information om inflödena till Byälvssystemet har två metoder använts: • Förlängning av befintliga flödesserier genom skalning och reprisering7 • Konceptuell avrinningsmodellering På så sätt har kontinuerliga inflödesserier till Byälvssystemet mellan 1990-01-01 och 2004-04-30 konstruerats.

5.1 Inflöden från reglerade avrinningsområden Vid tre större tillflöden (Jössefors (Jösseälven), Glava (Glasälven) och Blixbol (Lillälven)) till Byälvssystemet registreras flöden kontinuerligt i samband med elproduktion. Sådana mätningar har emellertid inte gjorts under hela den period som behövdes till FINKAN-modellen. Tillgången på flödesdata redovisas i figur 5 - 1. Dygnsmedelflöden för kraftstationerna har inhämtats från Fortum8. För perioder som saknar dygnsmedelflöden repriserades skalade flöden för ett år med kända flöden för samma vattendrag, enligt ekvation (5 - 1) och (5 - 2). För repriseringen valdes hydrografer från år 2002 för Glasälven och från år 1998 för Lillälven. Dessa år representerar hydrografer som någorlunda väl beskriver ett normalår med avseende på ackumulerad avrinning. Visserligen kan nederbörden se mycket olika ut från år till år men alternativet till den valda metoden, att skala om ett flöde för samma period men gällande för ett annat avrinningsområde, bedömdes som ett ännu sämre alternativ eftersom tappnings-strategierna kan skilja sig avrinningsområdena emellan. Vidare finns verkliga flöden registrerade under den för modellen viktigaste perioden, översvämningen år 2000. Repriseringsförfarandet kommer således inte att påverka inflöden från reglerade avrinningsområden under denna period. För den simulerade perioden under våren år 1999 är det endast Glasälven som har repriserad data. Slutresultatet påverkas därmed mycket lite av repriseringen.

7 Upprepning av tidigare mätvärden, beskrivs närmare i kapitel 5.1 8 Tidigare Birka Energi

21

2002

år aktuellt 2002 )()(

Jösseälven

JösseälvenGlasälvenGlasälven Q

QdatumQdatumQ = (5 - 1)

1998

åraktuellt 1998 )()(

Jösseälven

JösseälvenLillälvenLillälven Q

QdatumQdatumQ = (5 - 2)

Med följande beteckningar: Q dygnsmedelflöde [m3s-1] Q årsmedelflöde [m3s-1] Vidare saknades värden för Lillälven vecka 39 år 1999 och flödet sattes då till 0 m3s-1. Dubbla, ej exakt överensstämmande, data rapporterades för vecka 27 1998. Dessa dataserier var dock i samma storleksordning och den ena valdes utan motivering att utgöra underlag för vidare beräkningar. Båda dessa förenklingar bedöms ha en helt försumbar inverkan på resultaten av det fortsatta arbetet.

5.2 Flöde i Säffle Flöden registreras kontinuerligt i Säffle av Sjöfartsverket och mätvärden finns för hela perioden 1990-01-01 – 2004-04-30. Metoden för att registrera flöden i Säffle är emellertid indirekt och bygger på en ekvation som utifrån vattenstånd, mätta vid peglarna benämnda Dämmet och Backeströmmen (se bilaga C.3), och dammluckornas läge beräknar flödet. Ekvationen är framtagen av SMHI på uppdrag av Nordic Paper, som driver ett större pappersbruk ett stycke norr om Säffle centrum. SMHIs beräkningsformel redovisas i detalj i bilaga A.4. Emellertid tyder mycket på att dessa siffror stämmer dåligt med verkligheten. Tidigare modeller såväl som en flödesmätning gjord med akustisk dopplermätare av SMHI under

Uppmätta dygnsmedelflöden Jösseälven Lillälven Glasälven

1990-01-01 1995-01-01 2000-01-01

Uppmätta dygnsmedelflöden från 1996-12-30

Repriserade flöden med skalfaktor*

Repriserade flöden med skalfaktor*

Uppmätta dygnsmedelflöden från 2000-09-01

* Flöden är skalade repriser av ett år med kända flöden (1998 resp. 2002)

2004-04-30

Figur 5 - 1 Illustration av flödesdataursprung för Jössefors, Lillälven och Glasälven. Uppmätta dygnsmedelflöden har rapporterats från Fortum.

22

översvämningen 2000 och sedermera FINKAN-modellen (se kap. 7.9.2) visar att flödet kraftigt underskattas av denna beräkningsmetod, speciellt vid höga flöden. Utifrån beräkningsmetodens ursprungliga funktion, att beräkna låga flöden med acceptabel precision (då Nordic Paper riskerade att genom utsläpp orsaka för höga halter av oönskade ämnen i vattnet) finns ingen större anledning att ifrågasätta tillvägagångssättet men vid höga flöden beskriver den inte de verkliga förhållandena på ett bra sätt. En trolig delförklaring är att de peglar på vilka de ingående variablerna avläses, Dämmet och Backeströmmen, sitter placerade för nära den västra dammluckan vilket gör att den dämmer vattenytan vid pegelplaceringen. En effekt av detta vittnar kanalmästaren om då han berättar att en minskning av lucköppningen i den västra luckan genererar en så stor lokal dämning vid pegeln att det beräknade flödet ökar istället för att minska (Tapio, 2004). Detta på grund av att den av dämningen orsakade ökningen i nivåskillnad mellan mätplatserna orsakar en ökning av det beräknade flödet som är större än minskningen på grund av den minskade genomströmningsarean. Vid högre flöden styrs troligtvis flödet i hög grad av andra faktorer än nivåskillnaden på den korta sträckan mellan peglarna, vilken är cirka 30 m. Intill dämmet finns en sluss som normalt inte bidrar till avbördningen i Byälvssystemet. Under den dramatiska översvämningen i området hösten 2000 öppnades under en period dock slussen så att även denna bidrog till flödet. SMHI har konstruerat en hydrograf som ersätter formlerna för beräkning av flöde genom dämmet under perioden 2000-09-01 – 2000-12-31. Förutom de formler som används för beräkning av flöde genom dämmet hade SMHI tillgång till en avrinningsmodell och resultatet av en akustisk dopplermätning 27 november då ett flöde på 401 m3s-1 uppmättes (standardavvikelse σ = 6 m3s-1). Hydro-grafen konstruerades av SMHI och bygger enligt muntliga uppgifter på "kvalificerade gissningar" (Jansson, 2004) vilket innebär att osäkerheten i hydrografen är ganska stor. Flöden runt 27 november 2000, då dopplermätningen gjordes, är dock att beteckna som tillförlitliga.

5.3 Slussen Under översvämningen hösten 2000 steg vattennivåerna så mycket att det beslutades att försöka öppna slussen i Säffle för fri vattengenomströmning. Detta hade aldrig tidigare gjorts då slussen endast använts för fartygstrafik. För att kunna öppna slussportarna sattes en fördämning ned strax uppströms den övre slussporten. Fördämningen bestod av åtta vertikala stålbalkar, mellan vilka tre rader med vardera sju luckor placerats vilket ses i figur 5 - 2. Då slussportarna öppnats återstod att lyfta upp de 21 luckorna medan vattnet flödade fritt mellan de balkar där luckorna tagits bort. Arbetet inleddes den 13 november med att de fem mittersta luckorna i översta raden togs bort. De tre nästföljande dagarna togs resterande luckor i översta raden, samt luckorna i mellersta raden bort. För att lyfta upp luckorna från den understa raden krävdes mer tekniska förberedelser och först den 22 och 23 november kunde detta arbete genomföras (Svensson m.fl., 2002). Därefter strömmade vattnet genom slussen med motstånd endast från slusskanalens råhet och balkarna som luckorna suttit fästa mellan. I mitten av januari 2001 hade vattenstånden och flödet minskat så mycket att man beslutade att stänga slussen, vilket gjordes den 23 januari.

23

Figur 5 - 2 Balksektionen uppströms övre slussporten i Säffle sluss den 13:e november 2000. Arbetet med att öppna slussen har påbörjats och tre av de 21 luckorna har tagits bort.

5.3.1 Beräkning av flöde Flödet genom slussen, då samtliga luckor är borttagna, kan beräknas med kraftekvation för en kontrollvolym som innesluter balkarna (Nakayama och Boucher, 1999; Svensson m.fl., 2002). Eftersom flödessituationen är lika kring alla balkar kan beräkningarna göras för ett strömrör som innehåller en balk och avgränsas i sidled mitt emellan balkarna. Denna beräkning kan sedan användas för samtliga balkar, varav sex balkar är fristående och omgivna av vatten men där det dessutom tillkommer en halv kontrollvolym längst ut på varje kant av kanalen och alltså motsvaras hela balksektionen av sju kontrollvolymer. Kontrollvolymens avgränsningar och använda beteckningar framgår av figur 5 - 3 och figur 5 - 4.

Foto: NÄS 2000

24

Krafterna på kontrollvolymen består av tryckkrafter på upp- och nedströmssidorna (F1 och F2) samt reaktionskrafter från vattnets strömning förbi balkarna (F3). Eftersom rörelsemängden bevaras är förändringen av vattnets rörelsemängd lika med krafternas verkan på kontrollvolymen, se ekvation (5 - 3). Utöver detta måste hänsyn tas till friktionsförluster då vattnet passerar balksektionen.

t

vvmFFF )()( 12321

−=−− (5 - 3)

med följande beteckningar: F1-3 krafter på kontrollvolym och balksektion [N] m vattnets massa [kg] v1, 2 vattnets medelhastighet vid y1 respektive y2 i figur 5 - 3 [m·s-1] t tid [s] Krafterna F1 och F2 beräknas från vattnets tryck på kontrollvolymen:

211

1111 2

12

gDyyDygApF ρρ

=⋅⋅⋅⋅

=⋅= (5 - 4)

222

2222 2

12

gDyyDyg

ApF ρρ

=⋅⋅⋅⋅

=⋅= (5 - 5)

med följande beteckningar: p1, 2 medelvattentryck på kontrollvolymen vid y1 respektive y2 [N·m-2] A1, 2 kontrollvolymens area vinkelrätt mot flödet vid y1 respektive y2 [m2]

balksektion

Figur 5 - 3 Balksektionen i slussen sedd från sidan. Kontroll-volymen är liten men har ritats stor för ökad tydlighet. Krafterna F1 och F2 verkar alltså i princip direkt på balksektionen. Vattenståndet vid pegeln Säffle övre (y1) motsvarar vattenståndet uppströms balk-sektionen, nedströms balksektionen beräknas vattenståndet y2 utifrån mätningar vid pegeln Säffle nedre (y3). Avståndet L mellan balksektionen och Säffle nedre är också markerat.

bottennivå 'Säffle övre'

'Säffle nedre' L

flödesriktning

F3 F2 F1

y2 y1

kontrollvolym

vattennivå

y3

bottennivå

flödesriktning

kontrollvolym

vattennivå

BD

balk

Figur 5 - 4 Del av balksektionen i slussen sedd i flödesriktningen, med bredd av balkar (B) och kontrollvolym (D) markerade.

25

ρ densitet för vatten [kg·m-3] g tyngdacceleration [m·s-2] D bredd på kontrollvolym [m] Kraften F3 beräknas enligt (Nakayama och Boucher, 1999):

12

2

2

11

2

3

)(1

4921

)(7/

21

2

yBDQ

BC

yBDQ

ByCvACF

totD

totDbalkD

−=

=⎥⎦

⎤⎢⎣

⎡−

=⋅

=

ρ

ρρ

(5 - 6)

med följande beteckningar: CD koefficient som finns tabellerad för olika flödeshinder [-] Abalk tvärsnittsarea på en balk [m2] B bredd på balkar [m] Qtot totalt flöde genom slussen [m3s-1] Högerledet i ekvation (5 - 3) skrivs om:

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛−=⎟⎟

⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛−⋅⋅=

−

12

2

12

12 1149

7/7/)7/()(

yyDQ

DyQ

DyQ

Qt

vvm tottottottot

ρρ (5 - 7)

Ekvationerna (5 - 4) – (5 - 7) insatta i ekvation (5 - 3) ger:

( ) ⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛−=

−−−

12

2

12

22

22

111

49)(1

4921

21

yyDQ

yBDQ

BCyygD tottotD

ρρρ (5- 8)

( ) ⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛−=

−−−

12

2

12

22

22

111

492

)(1

49 yyDQ

yBDQ

BCyygD tottotD (5 - 9)

( ) ⎥⎦

⎤⎢⎣

⎡⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛−+

−=−

1212

22

22

1112

)(1

49 yyDyBDBC

QyygD D

tot (5 - 10)

( )

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛−+

−

−=

1212

22

21

112)(

49

yyDyBDBC

yygDQ

Dtot (5 - 11)

Eftersom vattenståndet inte finns uppmätt intill balksektionen på nedströmssidan, utan pegeln Säffle nedre är placerad ett stycke nedströms, måste y2 beräknas utifrån vatten-ståndet vid Säffle nedre (y3) (se fig. 5 - 3). Detta görs genom att beräkna friktionsförluster hf som uppkommer mellan balksektionen och Säffle nedre. Vattenståndet y2 kan då beräknas som:

26

fhyy += 32 (5- 12) Slutligen sätts ekvation (5 - 12) in i (5 - 11):

( )[ ]

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛−

++

−

+−=

1312

23

21

112)(

49

yhyDyBDBC

hyygDQ

f

D

f

tot (5 - 13)

För att beräkna flödet måste en iterativ beräkning göras tillsammans med friktions-förlusterna hf. Flödet genom slussen beräknas först utifrån antagandet att inga förluster sker; då detta flöde beräknats kan friktionsförlusterna beräknas med Mannings formel i ekvation (5 - 14) (Reinius, 1962) och iterering görs tills konvergens erhålles.

3/42

2212

2

3/422

2

3/42

2

2RMyyB

LQRMALQ

RMLvh

kanal

tot

kanal

totf

⎟⎠⎞

⎜⎝⎛ +⋅

⋅=

⋅== (5 - 14)

med följande beteckningar: v flödeshastighet i slusskanalen [m·s-1] L avstånd mellan y2 och y3 [m] M Mannings M för kanalen [m⅓s-1] R hydraulisk radie [m] Qtot totalt flöde genom slussen [m3s-1] Akanal tvärsnittsarea på kanalen [m2] Bkanal bredd på kanalen vid balksektionen [m] De parametrar som är omnämnda i förra stycket och som används för beräkning av flödet genom slussen har värden enligt tabell 5 - 1. Då dessa sätts in i ekvationerna (5 - 13) och (5 - 14) kan flödet genom slussen beräknas, vilket har gjorts från 24 november 2000 till 22 januari 2001. Från 13 till 23 november har flödet inte kunnat beräknas eftersom samtliga luckor då inte var borttagna. För denna period har flödet anpassats vid kalibrering för att ge god överensstämmelse med uppmätta vattennivåer i Säffle övre och nedre (se kap. 7.9). Beräknade och från kalibrering bestämda flöden ses i figur 5 - 5.

27

Tabell 5 - 1 Parametervärden använda för att beräkna flödet genom slussen (Svensson m.fl., 2002) Parameter Värde

g 9,81 D 1,17 CD 1,8 B 0,30 L 50 b 8 M1 45 1 Uppskattning av Mannings M från Reinius (1962)

0

20

40

60

80

100

120

140

160

13-n

ov

13-d

ec

13-ja

n

Q [m

3 /s]

Figur 5 - 5 Flöde genom slussen för den period 2000/2001 då den hölls öppen. Från 24 november och framåt är flödet beräknat, dessförinnan är flödet uppskattat i samband med kalibrering. Beräkningen av flödet genom slussen är relativt osäker. De kraftekvationer som använts förutsätter ideala förhållanden och ger förmodligen inte en helt korrekt beskrivning av de verkliga förhållandena. Dessutom finns osäkerheter i uppskattningarna av flödesmot-ståndskoefficienten CD och Mannings M. Ett felaktigt flöde genom slussen kompenseras dock till viss grad av flödet genom dämmet. Orsaken till detta är att slusskanalen och huvudgrenen genom dämmet binds samman endast ett hundratal meter uppströms från slussen.

5.4 Inflöden från oreglerade avrinningsområden För att beräkna inflöden från de avrinningsområden det inte finns flödesmätningar från torde det bästa sättet vara att sätta upp en avrinningsmodell som beräknar avrinningen. Tillgång fanns i detta arbete till två olika konceptuella modellverktyg: IHMS från SMHI och Rainfall runoff som är ett i MIKE 11 integrerat modellverktyg. Båda modellerna sattes upp för att beskriva aktuella avrinningsområden och kopplades till de hydrauliska delarna. Efter jämförelser och diskussioner beslutades att endast IHMS skulle användas i den slutgiltiga FINKAN-modellen. Detta främst eftersom bättre kunskap finns kring värden på kalibreringsparametrar för IHMS än för Rainfall runoff, vilket beror på att IHMS har använts i Sverige under lång tid. Konstateras kan dock att Rainfall runoff är en modell uppbyggd på ett liknande sätt, men som har ett betydligt

28

modernare och mer lättanvänt gränssnitt med exempelvis automatisk kalibrering. För att Rainfall runoff ska kunna användas på ett effektivt sätt bör den till att börja med användas på ett flertal områden, där både nederbörd över området såväl som flödet ut från detta är känt. På så sätt kan en god uppfattning av storleken på modellens parametrar fås och utifrån dessa erfarenheter kan Rainfall runoff sättas upp för nya områden där avrinningen inte är känd.

5.4.1 IHMS IHMS används för att beräkna avrinning utifrån kunskap om bl.a. nederbörd, temperatur, avdunstning, höjd och markegenskaper i ett avrinningsområde. Avrinningsmodellen byggdes upp av fem delavrinningsområden och tre givna inflöden (se kap. 5.1). Nöd-vändig information om de fem delavrinningsområdena togs fram med hjälp av GSD. För varje delavrinningsområde delades marken upp i två kategorier, öppen mark (field) och skog (forest), vilka i sin tur indelades i max 3 höjdzoner vardera. Därutöver beräknades två sjöareor för varje delområde, en för sjöar som inte utgör avrinningsområdets nedre vattenmagasin (ilake) och en för sjöar som gör det (olake). För varje kategori angavs area och medelhöjd, vilket gav mellan 6 och 8 olika zoner för varje delavrinningsområde. Avrinningsområdet och i IHMS använda delavrinningsområden presenteras i bilaga C.2. Fysikaliska indata i form av tidsserier till modellen utgörs av väderinformation från SMHI. Nederbördsmätningar varje dygn kommer från fyra mätstationer: Arvika, Stömne, Svaneholm och Säffle. Temperaturmätningar varje dygn kommer från två mätstationer: Arvika och Säffle. Potentiell evapotranspiration angavs som månatligt medel för Karlstad Flygplats (Eriksson, 1981). Viktningen av nederbörd- och temperaturstationernas representation för olika delavrinningsområden gjordes genom att området delades upp i Thiessen-polygoner. De flöden som beräknas för dämmet är behäftade med fel (se kap. 5.2) och bör inte användas vid kalibrering. Eftersom flödet är reglerat i dämmet är det dessutom inte lämpligt att kalibrera mot dessa flöden då IHMS förutsätter oreglerat flöde. Utöver detta har även regleringsstrategin för dämmet ändrats efter översvämningen 2000, vilket gör kalibrering mot dessa flöden än mer olämplig. Istället för kalibrering användes standard-värden och regionalt typiska värden, vilka erhållits från tidigare modellkalibreringar för avrinningsområden i närheten (Bergström, 1990). Tilläggas kan att tillgången till för regionen typiska parametervärden inte var speciellt god men värden för området upp-skattades genom viktning av dessa för intilliggande områden. Använda parametervärden finns listade i bilaga A.5 tillsammans med SMHIs regionala uppskattningar, vilka dock inte fanns till hands då avrinningsberäkningarna gjordes. Den utdata som är intressant utgör den specifika avrinningen från delavrinningsområdena benämnda: Åmotfors, Arvika, Stömne, Svaneholm och Säffle. Kompletta tidsserier för avrinningen från dessa områden genererades med modellen för användning som indata i MIKE 11. Den simulerade avrinningen var i samma storleksordning, relativt delav-rinningsområdets storlek, som från de reglerade områdena (se tab. 5 - 2). Det är främst Arvika och Lillälven som utmärker sig med något lägre avrinning.

29

Tabell 5 - 2 Medelavrinning från varje oreglerat delavrinningsområde beräknad med IHMS samt avrinning från reglerade avrinningsområden. Jämförelse av relativ avrinning visar att storleksordningen på avrinningen är densamma från de oreglerade som från de reglerade avrinningsområdena. Namn i

FINKAN-modellen

Area [km2]

Medelavrinning 1995-2000 [m3s-1]

Specifik avrinning [mm·år-1]

Oreglerade Åmotfors 23,41 0,24 329 avrinningsområden Arvika 392,95 3,06 245 Stömne 384,98 5,18 424 Svaneholm 75,66 1,02 426 Säffle 198,51 2,57 408 Reglerade Jösseälven 2979 37,83 401 avrinningsområden Lillälven 439 4,13 297 Glasälven 290 5,02 546

Marken i området var under hösten 2000 tämligen vattenmättad och nederbörden som föll i de oreglerade avrinningsområdena resulterade snabbt i avrinning ut i Byälven. Inverkan av felaktiga kalibreringsparametrar för markvattenmagasinen i IHMS bör då ha liten effekt. Eftersom byälvssystemet har tämligen stora lagringsmöjligheter sker dessutom en utjämning av effekter orsakade av felaktiga inflödeshydrografer. Det bör också understrykas att osäkerheten i FINKAN-modellen som kommer uppkommer av felaktiga avrinningsberäkningar är begränsad av att endast 22,5 % av det totala avrinningsområdet omfattas av dessa beräkningar. Övriga 77,5 % utgörs av reglerade delavrinningsområden för vilka mätserier finns i olika omfattning. Känsligheten för fel i avrinningsberäkningar finns undersökta i kapitel 7.10.

6 Vattenstånd För att de vattenståndsmätningar som gjorts i Säffle och i Arvika skulle kunna användas justerades dessa till höjdsystemet RH70. Pegeln i Arvika mättes in av tekniker på Arvika kommun och en av peglarna i Säffle (Säffle övre) har tidigare mätts in av tekniker på Säffle kommun. Dessa inmätningar visar att de lokala höjdsystemen (RH00) skiljer sig åt några centimeter mellan Arvika och Säffle9 och att skillnaden mellan RH70 och RH00 var ungefär 30 cm. Hur de uppmätta värdena korrigerats för att stämma med RH70 framgår av tabell 6 - 1. För att säkerställa att peglarna Säffle övre och Säffle nedre är placerade i samma höjdsystem gjordes en kontroll av detta. Denna inmätning gjordes på ett mycket enkelt och inte särskilt noggrant sätt då peglarna antingen bör sitta i samma höjdsystem eller i system markant skilda åt. Med en noggrannhet på några centimeter kunde konstateras att peglarna är monterade i samma höjdsystem. Tabell 6 - 1 Omräkning mellan höjdsystemen RH00 och RH70 för Arvika och Säffle kommuner Adderas till höjder beskrivna i

RH00 för konvertering till RH70 [m] Arvika Kommun 0,307 Säffle Kommun 0,286

9 Det har i tidigare studier observerats att uppmätt vattenstånd i Säffle varit högre än i Arvika, vilket då har tolkats som en effekt av vindpåverkan. Orsaken till detta är dock förmodligen skillnaden mellan de lokala höjdsystemen.

30

6.1 Vänerns vattennivå I FINKAN-modellen utgörs nedre randvillkor av Vänerns vattenstånd. Direkta mätvärden från avvägd pegel finns dock inte tillgängliga vid Byälvens utlopp. Istället används värden från andra platser där kontinuerliga mätserier registrerats, utifrån vilka en använd-bar nivå för Vänern kan beräknas. De mätningar som finns för Vänerns vattenstånd är gjorda långt ifrån Byälvens utlopp i Vänern och avviker förmodligen från det verkliga vattenståndet vid älvens utlopp. Vattenfall mäter vattenståndet i Sjötorp och Sunnanå, som ligger på östra respektive västra sidan av Vänern, ungefär halvvägs mellan Vänerns nord- och sydspets. Dessa mätningar uppvisar god samstämmighet. Hur peglarna i Sjötorp och Sunnanå är relaterade till kända höjdsystem som RH70 eller RH00 är oklart. Enligt muntlig information från Sjöfartsverket (Dyberg, 2004) är pegeln i Sjötorp monterad för sjöfartsändamål så att den visar +43,8 m ö.h. då vattennivån är 3,6 m över Sjötorps nedre slusströskel. Pegeln i Sunnanå har sedan anpassats för att ge samma mätvärde som i Sjötorp, genom anpassning av monteringshöjden då vädret varit lugnt en tid och Vänerns vattennivå kan förväntas vara horisontell. Dessa peglar ger tillräcklig kunskap om vatten-stånd för sjöfarten, men den oklara avvikelsen från RH70 medför problem då vattennivån används som randvillkor vid hydraulisk modellering. Enligt muntlig information från SMHI (Ehlert, 2004) anges vattenståndet på peglarna i Sjötorp och Sunnanå i RH00 och cirka 0,3 m ska adderas till dessa värden för att beräkna vattennivåerna i RH70. Då 0,3 m adderas till medelvärdet av vattenståndet i Sjötorp och Sunnanå fås vattennivåer för Vänern som visas i figur 6 - 1. Dessa verkar stämma överens med den vänernivå som används i Räddningsverkets MIKE 11-modell (se kap. 2.2), så när som på en förskjutning på några centimeter.

44,6

44,8

45

45,2

45,4

45,6

45,8

46

01-n

ov

01-d

ec

m.ö

.h.

Säffle nedre

MedelSjötorp/Sunnanå(korr. +0,3 m)

Vänern(RäddningsverketsMIKE 11-modell)

MedelSjötorp/Sunnanå

Figur 6 - 1 Olika versioner av Vänerns vattennivå.

31

Vid en betraktelse av vattenstånd utritade i figur 6 - 1 över en längre tidsperiod fram-kommer att denna metod för beräkning av vänernivåer i RH70 är helt orimlig. Det skulle innebära att vattenståndet i Vänern är högre än i Säffle nedre för alla tidsperioder utom översvämningen år 2000 (se fig. 6 - 2) och att vattnet då skulle rinna från Vänern till Säffle, vilket inte är fallet.

44

44,2

44,4

44,6

44,8

45

45,2

45,4

45,6

45,8

46

01-ju

l

01-o

kt

01-ja

n

01-a

pr

01-ju

l

01-o

kt

m.ö

.h.

MedelSjötorp/Sunnanå(korr. +0,3 m)

Säffle nedre

Vänern(RäddningsverketsMIKE 11-modell)

MedelSjötorp/Sunnanå

Figur 6 - 2 Olika versioner av Vänerns vattennivå. Eftersom den föreslagna korrigeringen inte stämmer kan vattenstånden som avläses på peglarna i Sjötorp och Sunnanå inte vara i RH00, utan i ett höjdsystem där avvikelsen från RH00 respektive RH70 är okänd. Dessa avvikelser kan tas reda på genom invägning av peglarna till RH70, vilket dock ligger utanför detta projekt. Istället har medelvärdet av de nivåer som Vattenfall mätt upp i Sjötorp och Sunnanå använts i okorrigerat skick. Detta kan tyckas vara en grov förenkling, men vid kalibrerering har anpassning gjorts till vattenståndet i Säffle nedre. Detta innebär att älvsträckan mellan Säffle och Vänern kan vara något ofysikaliskt beskriven, men ovanför Säffle har detta ingen effekt. För den andra perioden som simulerats, våren 1999, finns inte uppmätta vänernivåer tillgängliga. Vattenfall som levererat vattenståndsmätningarna gjorde tidigare endast manuell registrering på papper, vilka finns tillgängliga hos Vattenfall i Trollhättan, men skulle innebära en stor arbetsinsats att leta reda på och digitalisera vilket därför inte gjorts. SMHI har dessa mätningar digitaliserade men rekvirerades inte därifrån eftersom den därifrån ökade modellprecisionen inte bedömdes motivera kostnaderna. I stället användes en något konstlad metod, vilken dock bör ge ett nöjaktigt resultat. I figur 6 - 3 följer vattennivåerna vid Säffle nedre och i Vänern varandra tämligen väl men med en förskjutning på omkring 0,15 m, vilket alltså är fallhöjden mellan Säffle nedre och Vänern. För att enkelt få tillgång till en serie med vattenstånd som någorlunda stämmer överens med Vänerns vattenstånd har alltså 0,15 m subtraherats från Säffle nedre. Känslighetsanalys av Vänerns vattenstånd som beskrivs i kapitel 7.10 visar att modellens känslighet för variationer av nedre randvillkoret är relativt liten och därför bedöms den använda metoden vara tillförlitlig. Den från vattenståndsberäkningen ökade osäkerheten hos modellen bör alltså vara liten.

32

43,7

44,2

44,7

45,2

45,701

-mar

01-s

ep

01-m

ar

01-s

ep

01-m

ar

01-s

ep

01-m

ar

01-s

ep

m.ö

.h.

Säffle nedre

Säffle nedre(korr. -0,15 m)

MedelSjötorp/Sunnanå

Figur 6 - 3 Beräknat vattenstånd för Vänern genom justering av mätningar vid Säffle nedre.

7 FINKAN-modellen I detta kapitel finns en detaljerad redogörelse för uppbyggandet av den hydrauliska modellen. Det första steget i uppbyggandet av en modellupp-ställning i MIKE 11 är att definiera det geografiska område man arbetar i samt ange älvsträckningen. Älvsträckningen anges i Rikets Nät 1990, RT90, men har ingen direkt beräkningsmässig inverkan på modellen utan utgör främst ett orienteringsverktyg under arbete med modell- och resultatfiler. Den älvsträckning som används i FINKAN-modellen redovisas i figur 7 - 1. Till denna översikt läggs sedan övriga för beräkningarna nödvändiga modellkomponenter. I modellen inkluderas vattenmagasinen Glafsfjorden och Harefjorden som älvsträcka och vattendraget i figur 7 - 1 sträcker sig därmed från Jössefors ner till Vänern. Flödet är riktat neråt i figuren. För simuleringarna med FINKAN-modellen används vågapproximationen Fully Dynamic, då den tillräckligt väl beskriver flödet i älven samtidigt som den datorkraft som fanns tillgänglig, en standard-PC, är tillräcklig för att simulera intressanta översvämningsförlopp med tillräckligt kort tidssteg. Vågapproximation Higher Order Fully Dynamic kunde inte användas på grund av det sätt som flödesmotståndet definierats (se kap. 3.4.3 och 3.4.4)

Figur 7 - 1 Modellöversikt över Byälvens sträckning i Network Editor från FINKAN-modellen. Koordinater angivna i RT90.

1300000 1340000 6550000

6560000

6570000

6580000

6590000

6600000

6610000

6620000

6630000Untitled

33

Figur 7 - 2 Illustration av filterfunktionen för reducering av XZ-punkter vid tvärsnittsextraktion med MIKE GIS.

7.1 Tvärsnitt Efter att ha definierat älvsträckning läggs tvärsnitt till modellen för att beskriva älvens topografi. Utifrån den TIN-modell som förberetts (se kap. 4) extraherades tvärsnitt med hjälp av MIKE 11 GIS. Proceduren var omständig, mycket beroende på att TIN-modellen som användes var mycket stor och ArcView, programmet i vilket MIKE 11 GIS utgör ett insticksprogram, inte riktigt orkade med. Vidare uppkom problem med att mjukvaran havererade med jämna mellanrum då MIKE 11 GIS laddats. Problemet löstes genom att alla filer sparades med mycket täta intervall för att minimera dubbelarbete i samband med mjukvarukrascher. Vid export av tvärsnitt från MIKE 11 GIS till MIKE 11 kunde endast cirka 10 tvärsnitt i taget exporteras eftersom programmet annars kraschade. Den MIKE 11-licens som under arbetets gång fanns tillgänglig är begränsad såtillvida att maximalt 450 h-punkter tillåts vid simulering. Varje tvärsnitt utgör vid simuleringen en h-punkt. Utöver dessa har ytterligare några h-punkter lagts in. Denna gräns utgör den viktigaste begränsningen i antalet tvärsnitt som kan användas tillsammans med det praktiska faktum att ett ökat antal tvärsnitt ger längre simuleringstider. FINKAN-modellen byggs upp av 327 tvärsnitt. Valet av tvärsnittsplacering gjordes med flera aspekter i åtanke. Visuell inspektion av TIN-modellens utseende på den aktuella platsen utgjorde den viktigaste, men hänsyn togs också till tidigare kunskaper om var trängre partier misstänks finnas. Tätare placering av tvärsnitt användes vid förträngningar och där tvärsnittets utseende varierade starkt. Vid längre uniforma älvpartier och i större vattenmagasin glesades tvärsnitten ut betydligt. Exakt area som funktion av vattenstånd hos magasin längs älvsträckningen hanterades inte genom tvärsnitt utan separat (se kap. 7.1.1). Endast ett fåtal tvärsnitt användes för att beskriva de större vattenmagasinen Glafsfjorden och Harefjorden. TIN-formatet medger varierad upplösning på de data som hanteras. Denna princip att hantera data används dock inte när det gäller tvärsnittsextraktion i MIKE 11 GIS som från början konstruerats för hantering av höjdmodeller i rasterformat med uniform upplösning. Då ett tvärsnitt genereras i MIKE 11 GIS samplar mjuk-varan höjdnivån från TIN-modellen med ett givet intervall längs sträckningen av det av användaren angivna tvär-snittet. Då tvärsnitten för FINKAN-modellen extraherades samplades sträckningen som standard varje meter förutom för de tvärsnitt som spänner upp Glafsfjorden och Hare-fjorden där tvärsnitten istället samplades var tionde meter. Vid extraktionen var dock ett gränsvärde på 300 samplingspunkter, även kallade XZ-punkter, per tvärsnitt satt. Då detta antal punkter överskreds initierades en filterrutin för att reducera mängden XZ-punkter. Filter-rutinen var inställd så att XZ-punkter vilka gjorde att tvärsnittssektionens lutning ändrades med mindre än 0,1 % rensades bort och den aktuella delen istället representerades av en linjärinterpolation mellan kring-liggande XZ-punkter. Effekten av filterrutinens beskrivs i

34

figur 7 - 2. Aktiveringen av filterrutinen är den enda åtgärd som MIKE 11 GIS vidtar då antalet XZ-punkter överskrider specificerat maximalt antal. Därför kan antalet XZ-punkter på ett tvärsnitt mycket väl överstiga 300 om det visar sig att filterrutinen med givna inställningar inte reducerar antalet så att de understiger 300 till antalet. Sammanfattnings-vis bedöms modellpåverkan av förenklingen som filtreringen innebär vara helt försum-bar.

7.1.1 Magasinens area som funktion av vattennivå Då vattnet stiger i de större magasinen längs älvsträckan varierar magasinsvolymen på ett specifikt sätt beroende på strändernas lutning i magasinen. Där täta tvärsnitt används för att beskriva älvens topografi beskrivs detta bra men i de områden där tvärsnitt endast beskriver en grov modell av vattenkroppen förloras precisionen. För att kompensera för detta läggs en extra lagringsvolym i form av en horisontell area till varje höjdnivå för Glafsfjorden och Harefjorden vilken beräknats som skillnaden mellan den verkliga arean och den area som en modell som spänns upp av tvärsnitten ger. Dessa ytor beräknades för vattenstånd mellan 45,1 och 48,9 m ö.h. i Harefjorden och mellan 45,1 och 49,9 m ö.h. i Glafsfjorden. Resultaten, och skillnaden som sedan adderas korresponderande vatten-magasin i modellen redovisas i bilaga A.6.

7.2 Övre och nedre randvillkor Övre randvillkor utgörs av ett inflöde vid modellens början och är lika med av summan av tappning och spill från Jössefors kraftstation. Nedre randvillkor utgörs av Vänerns vattennivå enligt beskrivning i kapitel 6.1 och är placerat 75 815 m nedströms från modellens startpunkt, vilket motsvarar Byälvens utlopp i Vänern.

Tabell 7 - 1 Randvillkor till FINKAN-modellen. I benämningarna representerar Q punktinflöden, R oreglerad avrinning och W en plan vattenyta. Benämning Typ av randvillkor Placering1

QJössefors övre randvillkor

0

RÅmotfors punktkälla 10

RArvika distribuerat inflöde

10 - 20 290

QGlasälven punktkälla 17 263

RStömne distribuerat inflöde 20 290 - 50 295

QLillälven punktkälla 45 615

RSvaneholm distribuerat inflöde

50 295 - 55 854

RSäffle distribuerat inflöde

50 295 - 74 831

WVänern

2

vattenyta

75 815

1 placeringen angiven i meter nedströms från modellens övre randvillkor 2 vattennivån justerad enligt kapitel 6.1

RSäffle

QJössefors

RÅmotfors

QGlasälven

QLillälven

RArvika

RStömne

RSvaneholm

Figur 7 - 3 Schematisk beskrivning av randvillkors placering längs vattendraget. Inflöden benämnda enligt tabell 7 - 1.

WVänern

35

7.3 Inflöden Inflöden till FINKAN-modellen utgörs förutom av övre randvillkor dessutom av ett antal andra flöden in i systemet. Detta dels i form av punktkällor som representerar Lillälven, Glasälven och det oreglerade delavrinningsområdet som bidrar med vatten längst upp i Glafsfjorden (Åmotfors) och dels i form av inflöden som är utspridda längs vattendragets sträckning. Inflödet från oreglerade avrinningsområden beskriver ett gradvis ökat flöde längs älvsträckan genom direkt bidrag från grundvatten, ytavrinning och avrinning genom mindre bäckar och diken som inte representeras av någon punktkälla. Alla inflödens placering längs modellens älvsträckning anges i tabell 7 - 1 och illustreras geografiskt i figur 7 - 3.

7.4 Dämmet Dammluckorna i Säffle består av tre konvexa luckor som individuellt regleras så att de sänks ner mot en tröskel på dämmets botten för att begränsa flödet. Luckorna är vardera 10,6 m breda och är placerade bredvid varandra, men med cirka en decimeters avstånd till ytterkanterna på vardera sida, så att konstruktionen då luckorna inte används består av en 32 m bred öppning med en cirka 75 cm hög tröskel på botten.

Konstruktionens utseende och funktion beskrivs mera i detalj i bilaga B.1 där dämmet studerats mera ingående i ett försöka att modellera dynamiken i samband med att luckornas reglering försökte efterliknas i FINKAN-modellen. Luckorna i dämmet syns i figur 7 - 4. Problem med numerisk instabilitet i samband med en dylik detaljmodellering gjorde dock att dessa försök övergavs. Eftersom FINKAN-modellens främsta syfte är att undersöka förhållanden under höga vattenstånd och uteslutande kalibrerades under perioder då alla dammluckor var öppna kunde dock konstruktionen med rörliga luckor tas bort utan att det påverkar flödessituationen. För att modellera dämmets egenskaper då luckorna hölls öppna ersattes det i modellen med en ränna som antas motsvara konstruktionens verkliga mått och nivåer. Dämmets hydrauliska egenskaper beskrivs inte fysikaliskt korrekt. Istället beskrivs rännans egenskaper med hjälp av bottens och kanternas flödesmotstånd på sträckan vilket ändrades fritt vid kalibrering. För att

Figur 7 - 4 Dämmet som är en konstruktion under strömbron som förbinder östra Säffle centrum med kanalön. Bilden till vänster är tagen vid lågt vattenstånd då alla luckorna används för att begränsa flödet och bilden till höger är tagen vid högt vattenstånd då alla luckor är uppfällda för att lämna vattnet en så fri passage som möjligt.

Foto: Finn Midbøe 2004-06-15 Foto: Håkan Persson 2004-11-16

36

slussen

dämmet

Figur 7 - 5 Älven delas upp i en slusskanal och en huvudgren som rinner genom dämmet.

modellkonstruktionen skulle uppföra sig korrekt ansattes extremt höga flödesmotstånd i rännan (se bilaga A.7). Sammantaget innebär detta att dämmet modelleras som en trång sektion med högt flödesmotstånd men utan speciella strukturer i form av trösklar eller liknande som orsakar turbulens. Tack vare tillförlitliga vattennivåmätningar vid peglarna benämnda Säffle övre och Säffle nedre har man dock god uppsikt över dämmets påverkan på vattennivåerna och torde därmed kunna efterlikna dess totala flödespåverkan relativt väl. Detaljstudier av flödesförhållanden inom konstruktionen som representerar dämmet är dock inte möjliga med detta modellupplägg.

7.5 Slussen Slusskanalen konstruerades som en älvgren parallell med dämmet, vilket ses i figur 7 - 5 från River Network Editor. Kanalen beskrivs av tvärsektioner från höjdmodellen samt mätningar och uppgifter vilka muntligen meddelats från Sjöfartsverket (Dyberg, 2004). Mannings M som beskriver flödesmotståndet sattes till 45 m⅓s-1, vilket bedömdes vara rimligt utifrån att delar av kanalen är stensatt och resten består av en jämn, brant slänt med kort gräs (Reinius, 1962). För att beskriva effekten av att slussen öppnades beräknades, som beskrivet i kapitel 5.3, flödet utifrån kraftekvationer och modellerades inte i MIKE 11. Orsaken till detta var att det var svårt att beskriva balksektionen och borttagandet av luckorna på ett bra sätt; försök som gjordes orsakade instabiliteter i modellen. För att implementera den beräknade avbördningen genom slussen infördes en Structure operation kallad Regulating Structure - Function of Time i slusskanalen. Denna funktion tvingar fram ett flöde definierat i en tidsserie, vilket endast påverkas av tidsserien. Det framtvingade flödet påverkar dock modellerade vattennivåer och flöden i resten av modellen.

7.5.1 Hantering av slussen i olika scenarier I de simuleringar där hanteringen av slussen utförs på samma sätt som under översvämningen hösten 2000 måste beaktas att flödet genom slussen i verkligheten förändras om vattennivåerna i Säffle övre och Säffle nedre förändras. Vattenstånden i Säffle påverkas av åtgärder i älven och undersökning måste göras av vilken effekt dessa vattenståndsförändringar har för flödet genom slussen. Nivåerna vid Säffle övre och Säffle nedre vid den simulering som gav störst förändring i vattenstånd vid Säffle övre, av de scenarier där slussen hanteras som under översvämningen år 2000, redovisas i figur 7 - 6 tillsammans med vattennivåerna för den kalibrerade och oförändrade modellen. De små skillnaderna i vattenstånd som förändringarna i scenariot gav upphov till har marginell effekt på flödet genom slussen. Slussflödet behålls därför, som det beräknats utifrån verkliga uppmätta nivåer, vid simuleringen av alla enskilda åtgärder där slussen hanteras på samma sätt som under översvämningen 2000.

37

Lillälven

Figur 7 - 7 Bilden visar höjdstrukturen på ett utsnitt norr om Gillberga kyrka som inkluderar Lillälvens utlopp. Vallarna som byggts för att skydda omkringliggande åkermark framgår mycket tydligt.

Byälven

44,5

45

45,5

46

46,5

4717

-okt

17-n

ov

17-d

ec

17-ja

n

m.ö

.h.

Säffle övre(modifierad)

Säffle övre(kalibrerad)

Säffle nedre(modifierad)

Säffle nedre(kalibrerad)

Figur 7 - 6 Vattenstånd vid Säffle övre och Säffle nedre. 'modifierad' är den simulering som orsakar störst ändring av vattenståndet vid Säffle övre och 'kalibrerad' är den kalibrerade och oförändrade modellen. För öriga scenarier som simulerar översvämningen 2000 med vidtagna åtgärder, har slussen antingen hållits stängd eller helt öppen. Även balksektionen som fanns kvar under översvämningen 2000 har tagits bort, och flödet bromsas då endast av flödesmotståndet orsakat av råheten hos slusskanalens botten och kanter. Slussen har dessutom hållits öppen under samma tidsperiod som luckorna i dämmet varit helt uppfällda, vilket innebär att den är öppen under hela simuleringsperioden. Anledningen till detta förfarande är att det bedömdes osannolikt att hanteringen och öppningen av slussen skulle ske på ett identiskt sätt vid en ny översvämningssituation.

7.6 Översvämningsområden På ett par sträckor längs älven finns invallningar som hindrar vatten från att översvämma åkermark. Detta gäller främst ett område strax norr om Gillberga kyrka, där båda sidor om älven är invallade och ett område drygt en kilometer söder om Nysäter, där främst östra sidan är invallad. Vallarna syns tydligt i figur 7 - 7 så som de är representerade i höjdmodellen som beskriver områdets topografi (se kap. 4).

Om dessa

38

Figur 7- 8 Figuren visar hur älvsträck-ningen delar sig i tre grenar av vilka sidogrenarna utgör översvämnings-områden och mittgrenen utgör huvud-fåran. Flödesriktningen är neråt och siff-rorna längs axlarna är RT90-koordinater.

1328000.0 1328500.0 1329000.0[meter]

6581000.0

6581200.0

6581400.0

6581600.0

6581800.0

6582000.0

6582200.0

6582400.0

6582600.0

6582800.0

6583000.0

6583200.0

6583400.0

6583600.0

6583800.0

6584000.0

[meter] Standard - HD SHARP_00.RES11

områden i MIKE 11 skulle representeras av endast tvärsnitt vinkelräta mot älvsträckningen kommer de låglänta ytorna utanför vallarna att bidra till flöde så fort vattnet når dess nivå, även om vallarna fortfarande inte är översvämmade. För att lösa detta problem delades älven upp i flera grenar, en som utgör huvudfåran, och sidogrenar som utgör flödet över vallarna till översvämningsområdena och tillbaka till huvud-fåran. Modellkonstruktionen illustreras för området norr om Gillberga kyrka i figur 7 - 8. Sidogrenarna börjar och slutar med tvärsnitt som utgör en digitalisering av ryggen på den vall som utgör hindret för inflöde respektive utflöde av vatten till/från översvämningsområdet. På så sätt hindras vatten från att äntra området så länge vattenståndet i huvudfåran är lägre än vallarna. Sammanfattningsvis har därmed separata älvgrenar som representerar översvämnings-områdena byggts upp. Förändrade förhållanden kan enkelt simuleras genom att flödesmotstånd och tvärsnitt ändras för dessa.

7.7 Broar Beskrivning av broar görs i MIKE 11 med Structure operations. Med de funktioner som är avsedda att beskriva broar med är det dock svårt att beskriva broarna som korsar Byälven. Detta främst eftersom det är svårt att få översikt över hur de tillgängliga funktionerna ska ställas in för att en specifik bro ska beskrivas korrekt. Brofunktionerna verkar inte heller vara särskilt välanvända. Vid konsultation av DHI talade de om att en funktion för att beskriva parallella kulvertar använts i vissa fall, istället för tillgängliga brofunktioner (Vikström, 2004); denna metod har även SMHI använt enligt muntlig uppgift från Andersson (2004). Då NVE (Norges vassdrags- og energidirektorat) simulerat broar i MIKE 11 har funktioner för beskrivning av trösklar på botten använts. Anledningen till att brofunktionerna inte används i större utsträckning är förmodligen helt enkelt för att de är dåliga. Eftersom tillförlitliga vattenståndsmätningar kring broar i Byälven inte finns är det svårt att, utifrån kalibrering av andra funktioner (som trösklar eller kulvertar), beskriva broar. Försök gjordes att använda brofunktionerna, men resultaten bedömdes som otillförlitliga, och i den slutliga FINKAN-modellen detaljsimuleras därför inte broar. Det flödesmot-stånd som bropelare och liknande utgör beskrivs istället av ökat motstånd mot botten, utspritt över hela älven. Detta förfarande kan, förutom felaktigt flödesmotstånd mot botten, tänkas ge upphov till felaktiga vattennivåer i närheten av broar, då språng i vatten-stånd kring dessa inte beskrivs utan jämnas ut över en längre sträcka. Ändringar i vatten-nivå illustreras i figur 7 - 9 som visar en simulering där bron i Nysäter har försökt beskrivas med en av brofunktionerna.

39

7.8 Val av tidssteg och avstånd mellan beräkningspunkter Den licens för MIKE 11 som fanns tillgänglig under arbetet stöder endast dynamisk modellering och således har detta använts. I Byälven sker dock långsamma förändringar av vattenstånd och flöden, vilket också gäller modellens randvillkor. Detta innebär att dynamisk modellering inte är nödvändig och att långa tidssteg kan användas. I de allra flesta simuleringar har 30 min tidssteg använts, vilket i praktiken innebär (se kap. 3.4.7) att modelleringen är kvasistationär10. För att modelleringen ska kallas dynamisk behövs betydligt kortare tidssteg. Ett vattendjup på 8 m, vilket var typiskt för Byälven under översvämningen 2000, innebär att vågor fortplantar sig (enl. ekv. (3 - 17)) med en hastighet av cirka 9 m·s-1. Avstånden mellan intilliggande beräkningspunkter är på vissa platser i FINKAN-modellen mindre än 10 m och det tar då i storleksordningen 1 s för vattnet att passera en beräkningscell, vilket teoretiskt innebär (enl. ekv. (3 - 18)) att ett tidssteg på ungefär 1 s måste användas för att kunna beskriva vågfortplantning. Lämpligt avstånd mellan intilliggande beräkningspunkter kan, som beskrivs i kapitel 3.4.8, beräknas utifrån att det bör finnas 30-50 beräkningspunkter per våglängd. Denna våglängd definieras i ekvation (3 - 19) och ger tillsammans med ett vattendjup på 8 m och 50 beräkningspunkter per våglängd att avståndet mellan beräkningspunkterna bör vara knappt 1 300 m. I FINKAN-modellen är avståndet mellan intilliggande beräknings-punkter i sjöarna upp till 1 000 m medan det i de trånga älvsektionerna är betydligt mindre, ibland mindre än 10 m där älvtopografin behöver beskrivas noggrant.

10 I några simuleringar krävdes betydligt kortare tidssteg och dynamisk modellering. Detta noteras i förekommande fall i kapitel 8.

49000.0 50000.0 51000.0 52000.0 53000.0 54000.0 55000.0 56000.0[m]

45.4

45.6

45.8

46.0

46.2

46.4

46.6

46.8

47.0

47.2

47.4

47.6

47.8

48.0

48.2

[meter] 23-11-2000 06:00:00

BYALVEN 47523 - 52732 BYALVEN BYALVEN 53861 - 70647

49000.0 50000.0 51000.0 52000.0 53000.0 54000.0 55000.0 56000.0[m]

45.4

45.6

45.8

46.0

46.2

46.4

46.6

46.8

47.0

47.2

47.4

47.6

47.8

48.0

48.2

48.4

[meter] 23-11-2000 06:19:59

BYALVEN 47523 - 52732 BYALVEN BYALVEN 53861 - 70647

Gillbergasjön

Hökeströmmen

Bro i Nysäter

Figur 7 - 9 I den vänstra figuren visas ett språng i vattenytan orsakat av simulerad bro i Nysäter. Språnget syns inte alls vid låga vattenstånd men framträder vid höga vattenstånd, då även flödet ökar och således flödesmotståndet orsakat av bropelarna ökar. I den högra figuren visas en motsvarande simulering, utan specifik beskrivning av bron i Nysäter. Siffrorna längst ned visar avståndet i meter från Jössefors. (De svarta vertikala strecken kan ignoreras)

Ingen bro i Nysäter

Gillbergasjön

Hökeströmmen

40

Värt att notera är att Froudes tal aldrig överstiger 0,6 i den kalibrerade modellen. Innebörden av detta är att flödet alltid är subkritiskt och att det inte förekommer någon bestämmande sektion.

7.9 Kalibrering av modellen Även om verklig topografi och verkliga randvillkor har försökt efterliknas i största möjliga utsträckning i FINKAN-modellen, behöver anpassning till tidigare mätningar i Byälven göras. Anpassningen är gjord mot höga vattenstånd för att modellen ska beskriva översvämningssituationer på ett korrekt sätt; anpassning för låga vattenstånd har inte gjorts. Kalibreringen av modellen görs genom att bottens råhet justeras. Råheten kan ändras varsomhelst längs älven och definieras separat i tre olika höjdzoner, för vilka gränserna mellan zonerna kan väljas (se kap. 3.4.3). Att råheten kan ändras så fritt ger stora kalibreringsmöjligheter. För att få så bra anpassning som möjligt för höga vattenstånd valdes högt liggande zoner, vilket innebär att den nedersta zonen sträcker sig en bra bit över normalvattenstånd och den mellersta och översta zonen är, vid normalt vattenstånd, uppe på land. De råheter och den zonindelning som gav bäst anpassning till uppmätta vattenstånd visas i bilaga A.7. En annan möjlighet är att göra zonindelningen på ett fysikaliskt mer välförankrat sätt, så att exempelvis nedersta zonen är under den höjd där vass växer, mellersta zonen är vassbevuxet område och den översta zonen är ovanför vassen. Denna metod valdes dock bort då den gav sämre anpassning vid höga vattenstånd. Eftersom tillgången av data från perioder med högt vattenstånd är dålig har samtliga perioder, som bedömts vara användbara för anpassning till översvämningssituationer, använts för kalibrering. Därmed har ingen möjlighet funnits till validering av modellen.

7.9.1 Kalibrering mot två oberoende perioder Modellen har kalibrerats mot två oberoende perioder för att få en bättre överens-stämmelse med verkligheten än om endast en period använts. Den kalibreringsperiod vilken bedömts som viktigast är översvämningsperioden oktober 2000 – januari 2001. Den andra perioden är mars – maj 1999 då tämligen höga vattenstånd rådde i byälvs-systemet, om än inte lika höga som under översvämningen 2000. Det maximala vatten-ståndet för Glafsfjorden var under våren 1999 ungefär 1 m lägre än vid översvämningen 2000. Kalibreringen av modellen har gjorts mot uppmätta vattennivåer och i viss mån mot en flödesserie från SMHI för översvämningen 2000. För våren 1999 finns ingen användbar flödesserie att tillgå. Modellen har anpassats för att ge så god överensstämmelse som möjligt för vattennivåer, både för perioden 1999 och perioden 2000, dock med betoning på 2000. För att kalibreringen av våren 1999 skulle bli acceptabel gjordes avkall på vissa delar av anpassningen under översvämningen 2000. Effekten av detta är att modellerade vattenstånd är för låga strax innan samt strax efter tidpunkten för maximalt vattenstånd i Glafsfjorden, samt under månaderna oktober och januari (se fig. 7 - 10).

41

44,5

45

45,5

46

46,5

47

47,5

48

48,5

4916

-okt

16-n

ov

16-d

ec

16-ja

n

m ö

.h.

Glafsfjorden(modell)

Glafsfjorden(uppmätt)

Säffle övre(modell)

Säffle övre(uppmätt)

Säffle nedre(modell)

Säffle nedre(uppmätt)

Figur 7 - 10 Kalibrering av vattenstånd i Glafsfjorden samt vid Säffle övre och Säffle nedre för översvämningsperioden 2000. För simuleringen under 1999 underskattas vattenstånden något vid låga vattenstånd och omvänt är de maximala vattenstånden, främst vid Säffle övre, för höga (se fig. 7 - 11).

44,5

45

45,5

46

46,5

47

47,5

07-m

ar

07-a

pr

07-m

aj

m ö

.h.

Glafsfjorden(modell)

Glafsfjorden(uppmätt)

Säffle övre(modell)

Säffle övre(uppmätt)

Säffle nedre(modell)

Säffle nedre(uppmätt)

Figur 7 - 11 Kalibrering av vattenstånd i Glafsfjorden samt Säffle övre och Säffle nedre för den simulerade perioden våden 1999. Den stora avvikelsen för Glafsfjorden under slutet av mars beror på att vattennivåer inte har mätts under denna tid och interpolering har gjorts mellan en nivå i mitten av mars och en i mitten av april.

7.9.2 Jämförelse med osäkra mätningar Peglarna i Arvika och Säffle är invägda i RH70 och därför har mätningar från dessa använts vid kalibrering. Mätningarna vid övriga peglar har endast använts för jämförelse, eftersom monteringshöjderna för dessa är osäkra. Höjderna är i samtliga fall utom för Nysäter korrigerade med den för aktuell kommun rådande differensen mellan RH00 och RH70, då de antas vara monterade i RH00 (se kap. 6). För Nysäter kan mätningarna inte vara gjorda i RH00 eftersom justering med differensen mellan RH70 och RH00 ger helt felaktiga värden. Tämligen god överensstämmelse med simulerade nivåer fås för Nysäter

42

då ingen korrektion görs, vilket tyder på att pegeln är monterad i RH70. Jämförelse mellan beräknade och uppmätta vattenstånd visas i figurerna 7 - 12 och 7 - 13. Som tidigare ger modellen, i jämförelse med mätvärden från översvämningen 2000, något låga värden strax före och strax efter tidpunkten för maximal vattennivå.

45

45,5

46

46,5

47

47,5

48

48,5

49

2000

-10-

16

2000

-11-

16

2000

-12-

16

2001

-01-

16

m ö

.h.

Skasåsbron(modell)

Skasåsbron(korr. +0,307 m)

Harefjorden(modell)

Harefjorden(korr. +0,286 m)

Figur 7 - 12 Jämförelse mellan uppmätta vattenstånd vid Skasåsbron och i Harefjorden med motsvarande simulerade vattenstånd för översvämningsperioden 2000.

45,5

46

46,5

47

47,5

48

48,5

49

16-o

kt

16-n

ov

16-d

ec

16-ja

n

m ö

.h.

Högsäter(modell)

Högsäter (korr.+0,286 m)

Nysäter(modell)

Nysäter(okorr.)

Figur 7 - 13 Jämförelse mellan uppmätta vattenstånd vid Högsäter och Nysäter med motsvarande simulerade vattenstånd för översvämningsperioden 2000. Observera att vattenståndet vid Nysäter inte är korrigerat till RH70, men att god överensstämmelse fås, vilket förmodas bero på att pegeln i Nysäter är monterad i RH70. För Byälven finns inga flödesmätningar gjorda, med undantag av ett fåtal special-mätningar som gjordes av SMHI under översvämningen 2000. För perioden september – december 2000 gjorde SMHI dessutom en uppskattning av flödet genom Säffle. Osäkerheten i denna uppskattning är dock så stor (se kap. 5.2) att simulerat flöde endast jämförts med uppskattningen och ingen egentlig kalibrering har gjorts (se fig. 7 - 14).

43

0

50

100

150

200

250

300

350

400

16-o

kt

16-n

ov

16-d

ec

16-ja

n

m3 /s

Säffle(simulerat)

Säffle(beräknat, sekap. 5.2)

Figur 7 - 14 Simulerat flöde genom Säffle i jämförelse med tillgänglig hydrograf för översvämnings-perioden år 2000. Den plötsliga minskningen av flöde i hydrografen beror på att SMHI gjorde en upp-skattning av flödet från 1 september till 31 december, därefter är flödet beräknat enligt tillvägagångssättet beskrivet i bilaga A.4 vilket kraftigt underskattar flödet. För våren 1999 finns endast flödesberäkning enligt bilaga A.4 gjord vilken kraftigt underskattar stora flöden. Som ses i figur 7 - 15 är det simulerade flödet drygt 100 m3s-1 större än det beräknade flödet, av vilka det simulerade bör vara tämligen korrekt.

0

50

100

150

200

250

07-m

ar

07-a

pr

07-m

aj

m3 /s

Säffle(simulerat)

Säffle(beräknat, sekap 5.2)

Figur 7 - 15 Simulerat flöde genom Säffle i jämförelse med tillgänglig hydrograf för den simulerade perioden år 1999. Den stora skillnaden mellan simulering och hydrograf beror på att flödet i denna är beräknat enligt tillvägagångssättet beskrivet i bilaga A.4 vilken kraftigt underskattar flödet.

7.10 Osäkerhetskontroll av modellen För att beskriva modellens känslighet för variationer i indata bör osäkerhetsanalys göras. Eftersom det i MIKE 11 inte finns någon automatik för tillbörlig osäkerhetsanalys, som exempelvis Monte Carlo-simulering11, har istället en mycket enkel känslighetsanalys gjorts.

11 I MIKE 11 2004 finns verktyg för detta, vilka ej har hunnit utvärderas då denna version blev tillgänglig allt för sent.

44

I en känslighetsanalys studeras inte de kumulativa osäkerheterna, som i en osäkerhets-analys, utan osäkerheten i utdata orsakad av förändring hos endast en indatavariabel i taget. I modellen finns ett mycket stort antal variabler behäftade med osäkerhet, för vilka känslighetsanalys skulle kunna göras. För att rationalisera arbetet analyserades dock modellens känslighet endast för variationer i inflöden samt för variationer av Vänerns vattenstånd. De variabler i utdata som studerats är maxflödet nedanför kanalön i Säffle och Glafsfjordens maxnivå, båda år 2000. Inflödena har ändrats +/-20 %. Vänerns vatten-stånd har varierats +/-0,184 m, vilket motsvarar storleken på variansen för Vänerns vattennivå, för den period som modellerats. Resultat från känslighetsanalysen visas i tabell 7 - 2. Tabell 7 - 2 Resultat från känslighetsanalys, där ändring av maximalt vattenstånd i Glafsfjorden samt ändring av maximalt flöde genom Säffle studeras. Storleken på ändringarna av maximala vattenstånd och flöden ökar nedåt i tabellen, vilket betyder att modellens känslighet för förändringar i given indata ökar nedåt i tabellen12. Ändring av variabler i indata Ändring av Glafsfjordens

maxnivå hösten 2000 [m] Ändring av maxflödet i Säffle hösten 2000 [%]

Vänern (-0,184 m) -0,01 -0,2 Vänern (+0,184 m) +0,01 +0,2 Glasälven och Lillälven (0,8·Quppmätt) -0,09 -3,6 Glasälven och Lillälven (1,2·Quppmätt) +0,08 +3,4 Oreglerade avrinningsområden (0,8·QIHMS) -0,12 -5,1 Oreglerade avrinningsområden (1,2·QIHMS) +0,11 +5,4 Jössefors (0,8·Quppmätt) -0,41 -14,7 Jössefors (1,2·Quppmätt) +0,35 +13,9

Orsaken till att modellens känslighet skiljer kraftigt mellan olika inflöden är främst att storleken på dessa inflöden skiljer sig kraftigt åt (se fig. 7 - 16) och stora inflöden således ger upphov till stora effekter vid känslighetsanalys. En annan bidragande orsak kan vara att inflödena sker på olika platser längs Byälven. De relativt stora förändringar av max-nivå i Glafsfjorden och maxflöde i Säffle som visas i tabell 7 - 2 som resultat av förändrad indata måste relateras till de felkällor som finns för respektive indata. En variation på +/-20 % är betydligt större än de osäkerheter som kan väntas i inflöden från reglerade avrinningsområden, men möjligtvis rimlig för oreglerade avrinningsområden även om någon egentlig uppskattning av det inte gjorts.

12 Känslighetsanalysen för vattennivå och inflöden kan egentligen inte jämföras eftersom de är varierade på olika sätt.

45

0

50

100

150

200

250

30017

-okt

17-n

ov

17-d

ec

17-ja

n

m3 /s

Jössefors

Oregleradeavrinningsområden

Glasälven ochLillälven

Figur 7 - 16 Jämförelse mellan de olika inflöden till Byälven som har använts då känsligheten undersökts.

7.11 Felkällor Inverkan av olika felkällor bör beaktas innan slutsatser dras från simuleringar med FINKAN-modellen. Många felkällor härrör från felaktigheter i indata och beskrivs där de förekommer i kapitel 4, 5 och 6. Dessutom innebär 1-dimensionell modellering i sig förenklingar som kan orsaka fel (se kap. 3.4). Modelluppsättningen som den ser ut i FINKAN-modellen innebär dessutom att ytterligare fel införs. Den begränsade tillgången till nivåer och flöden för kalibreringspunkter längs Byälven gör felen svåra att lokalisera. En översikt och bedömning av de modellspecifika fel som kan tänkas behäfta FINKAN-modellen följer: • En viktig felkälla utgör flödesmotståndet i form av alla de kalibrerings-

parametrar vars värden är resultatet av det kalibreringsförfarande som beskrivs i kapitel 7.9. Förutom de fel som kalibreringsförfarandet resulterar i kan tänkas att flödesmotståndet varierar med årstiden då växtligheten varierar.

• Dämmet är inte fysikaliskt korrekt beskrivet (se kap. 7.4). Detta gör att fel här

kan tänkas bli ganska stora vid vattenstånd utanför de nivåer som modellen kalibrerats och dämmet kan då utgöra en stor felkälla.

• Att broar inte har modellerats i detalj utgör en felkälla vilket beskrivs i

kapitel 7.7. • Flödet genom slussen som är beräknat enligt kapitel 5.3 är behäftade med

osäkerheter. • De översvämningsområden som beskrivs i kapitel 7.6 bidrar till flöde då

vattennivån stiger över vallarnas nivå. Här inverkar topografiska felkällor extra mycket då små fel beträffande vallarnas nivå får ganska stor inverkan på flödet då vattennivån precis når över vallarnas nivå. Dessutom innebär det sätt som vallarna implementerats på i modellen osäkerheter.

46

• Tvärsnitten som spänner upp topografin utgör en förenkling av de verkliga

höjdförhållandena. FINKAN-modellen beskrivs med ett stort antal tvärsnitt och felet på grund av detta modelleringsförfarande bedöms generellt vara litet då tvärsnitten placerats för att minimera denna typ av fel (se kap. 7.1).

• Det exportförfarande som används i MIKE 11 GIS orsakar ett fel genom den i kapitel 7.1 diskuterade filterrutinen. Detta bedöms dock som helt försumbart.

8 Resultat av körda simuleringar Huvudsyftet med framställningen av FINKAN-modellen var att simulera hur olika för-ändringar påverkar strömningsförhållanden i Byälven. Nedan följer en redogörelse för olika sådana förändringar. Generellt bedöms bara de hydrauliska aspekterna av åtgärder och resultaten som FINKAN-modellen ger. Huruvida åtgärder är praktiskt, ekonomiskt eller politiskt genomförbara bedöms inte. Simuleringarna är indelade i: • Enskilda åtgärder för minskat vattenstånd • Simuleringar med förhöjda vattenstånd • Kombinerade åtgärder

8.1 Ytterligare felkällor Förutom de felkällor som FINKAN-modellen, i sitt kalibrerade tillstånd, är behäftad med (se kap. 7.11) innebär förändringar i systemet ibland att nya felkällor införs. Generellt kan sägas att simuleringar som hamnar utanför de vattennivåer och flöden som modellen kalibrerats för har sämre tillförlitlighet. Osäkerheten ökar ju större avvikelsen från dessa nivåer är. I andra fall kan speciella omständigheter i den simulerade förändringen innebära ytterligare ökad osäkerhet. I de fall en åtgärd bedöms orsaka ytterligare osäkerheter görs en anmärkning om detta i aktuellt kapitel.

8.2 Enskilda åtgärder för minskat vattenstånd För att undersöka hur åtgärder för att minska effekterna av en översvämningssituation likt den år 2000 påverkar systemet införs förändringar i den färdigkalibrerade FINKAN-modellen. Simulerade resultat för varje enskild åtgärd redovisas i tabell 8 - 1 och ett urval beskrivs i kapitel 8.2.1 – 8.2.7. Som jämförelse ger modellen 2000-11-28 då inga förändringar införs maximala vattenstånd på 48,68 m ö.h. i Glafsfjorden, 47,68 m ö.h. i Harefjorden och ett maximalt flöde på 405 m3s-1 i Säffle.

47

Tabell 8 - 1 Lista över de simuleringar av enskilda åtgärder som gjorts och resultat av dessa vid simulering med samma flöde som hösten år 2000. Siffrorna under rubriken beteckning motsvarar de kapitel som beskriver respektive simulering och övrig teckenförklaring finns i respektive kapitel. Glafsfjorden Harefjorden

Beteckning Maximalt vattenstånd [m ö.h.]

Förändring [m]

Maximalt vattenstånd [m ö.h.]

Förändring [m]

Kort beskrivning

7.8 48,68 0,00 47,68 0,00 Kalibrerad modell

8.2.1 48,46 -0,23 47,25 -0,42 Ökat flöde genom slussen

8.2.2 48,68 +0,01 47,67 +0,01 Borttagning av invallningar 8.2.3 a 48,67 -0,01 47,68 <0,01 Ö vid Hökeströmmen borta 8.2.3 b 48,65 -0,03 47,69 +0,01 Förträngning vid Hökeströmmen borta 8.2.3 c 48,65 -0,04 47,69 +0,01 Båda ovanstående tillsammans 8.2.4 48,65 -0,03 47,65 -0,03 Effekter av förändrad vattendom 8.2.5 A +2 48,65 -0,03 47,69 +0,01 M ändrat i zon 2 och 3 (+2) 8.2.5 A +5 48,61 -0,07 47,70 +0,02 M ändrat i zon 2 och 3 (+5) 8.2.5 B +2 48,65 -0,03 47,69 +0,01 M ändrat i zon 2 och 3 (+2) 8.2.5 B +5 48,62 -0,06 47,70 +0,03 M ändrat i zon 2 och 3 (+5) 8.2.5 C +2 48,66 -0,03 47,60 -0,08 M ändrat i zon 2 och 3 (+2) 8.2.5 C +5 48,63 -0,06 47,51 -0,17 M ändrat i zon 2 och 3 (+5) 8.2.5 AB +2 48,62 -0,06 47,70 +0,02 M ändrat i zon 2 och 3 (+2) 8.2.5 AB +5 48,55 -0,13 47,73 +0,05 M ändrat i zon 2 och 3 (+5) 8.2.5 AC +2 48,62 -0,06 47,61 -0,07 M ändrat i zon 2 och 3 (+2) 8.2.5 AC +5 48,55 -0,13 47,53 -0,14 M ändrat i zon 2 och 3 (+5) 8.2.5 BC +2 48,63 -0,06 47,61 -0,07 M ändrat i zon 2 och 3 (+2) 8.2.5 BC +5 48,56 -0,12 47,54 -0,14 M ändrat i zon 2 och 3 (+5) 8.2.5 ABC +2 48,59 -0,09 47,62 -0,06 M ändrat i zon 2 och 3 (+2) 8.2.5 ABC +5 48,49 -0,20 47,56 -0,12 M ändrat i zon 2 och 3 (+5) 8.2.6 ABC +5 48,68 <-0,01 47,67 <-0,01 M ändrat i zon 1 (+5) 8.2.7 48,67 -0,01 47,68 <+0,01 Muddring 8.3.1 48,72 +0,03 47,71 +0,03 Barriär till Kyrkviken 8.3.2 48,80 +0,12 48,03 +0,36 Stängd sluss 8.3.3 HC-A2 49,00 +0,3 48,00 +0,3 Effekter av klimatförändring 8.3.3 HC-B2 49,30 +0,6 48,29 +0,6 Effekter av klimatförändring 8.3.3 MPI-A2 49,86 +1,2 48,88 +1,2 Effekter av klimatförändring 8.3.3 MPI-B2 49,67 +1,0 48,68 +1,0 Effekter av klimatförändring

8.2.1 Ökat flöde genom slussen Under översvämningen år 2000 beslöt man att öppna slussen, som normalt endast används för att slussa båtar förbi dämmet och Backeströmmen i Säffle. Tekniska problem gjorde att slussen inte kunde öppnas helt förrän 2000-11-23. Vidare kunde slussen av konstruktionsskäl inte öppnas utan att ett temporärt skelett av balkar installerades vilket bidrog till att bromsa flödet genom slussen. Hade en annan konstruktion funnits som underlättat en total öppning hade man i ett tidigare skede kunnat öppna slussen och öppna den helt, utan att installera balkar. Detta kan tänkas innebära att byta ut de hydrauliska styranordningar som reglerar slussluckorna mot en mekanism så kraftig att den kan öppna luckorna under det att vatten strömmar genom lucköppningen samtidigt som resten av slusskonstruktionen säkras för de påfrestningar detta skulle innebära. Simulerings-scenario 8.2.1 innebär att slussen öppnas helt (utan balkar) i samband med att risken för

48

översvämning uppmärksammades, d.v.s. 16 oktober (då luckorna i dämmet öppnades). Scenariot ger maximala vattenstånd på 48,46 m ö.h. och 47,26 m ö.h. för Glafsfjorden respektive Harefjorden och ett maximalt flöde på 388 m3s-1. Detta motsvarar en minskning av den högsta nivån vattnet nådde med 23 cm i Glafsfjorden och 42 cm i Harefjorden. Simuleringarna innebär att modellens känslighet för flödesmotstånd och topografi i slusskanalen ökar något.

8.2.2 Borttagning av invallningar Längs älvsträckningen finns på några platser vallar som hindrar vattnet från att över-svämma framförallt åkermark. En närmare beskrivning av dessa finns i kapitel 7.6. Dessa vallar påverkar översvämningssituationer på flera sätt. Dels hindrar vallarna, så länge de inte översvämmas, vattnet från att utnyttja den lagringsvolym som de skyddade områdena utgör, dels minskar de den tvärsnittsarea som flödet kan ta i anspråk då vallarna inte över-svämmas eftersom vattnet då endast kan flöda i huvudfåran. Då vallarna översvämmas bromsas flödet genom översvämningsområdena eftersom det måste passera över vallarna. Vallar före-kommer längs Byälven främst norr om Gillberga kyrka och norr om Dösslingen. Vallarna togs bort ur modellen genom att tvärsnitten visuellt inspekterades och modifierades där vallar hindrade vattnet för att nå översvämningsytor enligt figur 8 - 1. De separata älvgrenar som utgjorde översvämnings-områden beskrivna i kapitel 7.6 togs bort helt. Åtgärden simuleras i och med dessa åtgärder på ett ganska drastiskt sätt och nya osäkerheter uppkommer i samband med detta. Simuleringen ger ensamt en marginell ökning av maximalt vattenstånd i både Harefjorden och Glafsfjorden trots att en minskning av vattenståndet i Glafsfjorden förväntats. De simulerade förändringarna i vattenstånd är emellertid små och kan härröra från införda fel i modellen. Borttagning av vallarna i modellen ger större förändringar vid lägre vattenstånd där större effekter av förändringen simuleras (se kap. 8.4.4).

8.2.3 Vidgning vid Hökeströmmen Namnet Hökeströmmen antyder att speciella strömningsförhållanden skulle råda på denna plats. En visualisering av vattenytan längs Byälven så som den varierar i FINKAN-modellen visar också på signifikanta energiförluster i detta parti (se fig. 8 - 2), vilket gör platsen intressant för eventuella åtgärder. Platsen utgör Byälvens utflöde i Harefjorden och består av en ö som delar älvfåran i två grenar som följs av en horisontell förträngning med relativt stort djup.

Figur 8 - 1 Skiss som beskriver hur invallningar togs bort genom modifikation av tvärsnitt.

49

Utan att praktiska hänsyn har tagits simuleras två åtgärder i Hökeströmmen individuellt och i kombination. a) motsvarar avlägsning av ön och b) vidgning av förträngningen strax nedströms ön. c) motsvarar en kombination av dem båda. Modifieringen skedde genom att XZ-punkter på de tvärsnitt som spänner upp den topografiska modellen för området avlägsnades. Figur 8 - 3 visar förändringarna i topografin.

Figur 8 - 3 Topografiska kartor föreställande: 1) topografin vid Hökeströmmen enligt höjdmodellen, 2) topografin som den spänns upp av tvärsnitten i FINKAN-modellen för samma område, a) topografin i modellen då ön tagits bort och b) topografin i modellen då förträngningen nedanför ön tagits bort. På bilderna syns brofästet (t.h.) där E18 korsar Byälven.

1) 2)

a) b)

Hökeströmmen

Figur 8 - 2 Vattenytans lutning mellan Högsäter (t.v.) och Harefjorden (t.h.) 27 november enligt FINKAN-modellen. Markerat i figuren är speciellt nivåsprånget vid Hökeströmmen. (De svarta vertikala strecken samt siffrorna kan ignoreras.)

50

Effekten på högsta vattennivå i Glafsfjorden blir för dessa åtgärdsalternativ en minskning med 1 cm då ön tas bort och 3 cm då förträngningen vidgas. Båda dessa åtgärder ger tillsammans en minskning av högsta vattennivån i Glafsfjorden med 4 cm. Alla tre simuleringarna innebar en marginell ökning av högsta vattennivån i Harefjorden. Topografiändringen innebär inte införande av någon ytterligare osäkerhetsterm.

8.2.4 Effekter av förändrad vattendom Det åligger Sjöfartsverket att manövrera dammluckorna i Säffle så att den maximala djupgång som finns angiven på sjökort ovanför slussen i Säffle bibehålls vilket skall ske i enlighet med gällande vattendom. Ett sätt att lindra effekterna av en översvämning som diskuterats är att minska den nivå som vattennivån hålls på så att en större buffert finns i systemet då stora vattenmängder tillförs Glafsfjorden. Ett inofficiellt förslag från Sjöfartsverket är att sänka det garanterade djupgången från nuvarande 3,0 m till 2,5 m. Eventuellt kan denna sänkning gälla endast på vintern så att nuvarande djupgång gäller på sommaren, då båttrafiken är intensivare. För att undersöka effekterna av en ändrad vattendom sänktes vattennivån i hela systemet med 50 cm så att Glafsfjorden låg på 45,34 m ö.h. 2000-10-17. Med denna utgångsnivå ger FINKAN-modellen ett högsta vattenstånd i Glafsfjorden på 48,65 m ö.h. vilket motsvarar en minskning med 3 cm jämfört med fallet utan åtgärd. Scenariot bygger på antagandet att en generell minskning av den maximala djupgången i en situation som den hösten 2000 skulle ha inneburit en initial vattenyta 50 cm under den som verkligen förelåg. Huruvida en ändring av vatten-domen i realiteten skulle leda till en generell minskning av vattennivån med 50 cm bedöms inte.

8.2.5 Ändrat flödesmotstånd i zon 2 och 3 En profil av vattenytan under översvämningsförloppet så som den simuleras i FINKAN-modellen visar på några partier längs Byälven där lutningen är brantare än genomsnitts-lutningen utan att tydliga språng kan urskiljas. De tre tydligaste exemplen på sådana partier är markerade A, B och C i figur 8 - 4.

51

För dessa sträckor simulerades åtgärder för att minska flödesmotståndet i zon 2 och 3 (se kap. 3.4.3). Specifikt innebär simuleringarna att effekter av en ökning av Mannings M med 2 respektive 5 m⅓s-1 införs ovanför 46,60 m ö.h. på sträcka A och B respektive 46,40 m ö.h. på sträcka C. Detta motsvarar ytor som normalt inte står under vatten. Ökning av Mannings M med 2 m⅓s-1 motsvarar en marginell påverkan av flödesmot-ståndet som förvisso är svår att översätta i specifika åtgärder men mycket väl skulle kunna motsvaras av mindre omfattande selektivt röjningsarbete. En ökning av M med 5 m⅓s-1 skulle kunna åstadkommas genom att mera systematiskt ta bort bromsande växt-lighet som högt gräs, buskar, skog och sly på de berörda sträckorna. Detta resonemang gäller i synnerhet sträcka A och B där älven kantas av mycket växtlighet. På sträcka B finns också bilbron i Nysäter vilken bidrar med flödesmotstånd. En hel del växtlighet återfinns också i de övre delarna av sträcka C medan nedre delen är väldigt påverkad av bebyggelse i Säffle, stränder är stensatta och en del flödesmotstånd utgörs av bropelare, bryggor och liknande. Att påverka flödesmotståndet här kan möjligen vara svårare och/eller dyrare. Resultaten av simuleringar med minskat flödesmotstånd presenteras i tabell 8 - 2.

Figur 8 - 4 Vattenytans profil ur FINKAN-modellen 2000-11-28, 08:00. Älvavsnitt som genererar brantare lutning längs profilen utan att utgöra tvära språng som exemplet vid Hökeströmmen (se fig. 8 - 2) är markerade på tre ställen; A motsvarar ungefär sträckan 1 km norr om till 1 km söder om kabelfärjan i Högsäter, B motsvarar sträckan cirka 700 m norr om till cirka 1300 söder om bron i Nysäter, C motsvarar sträckan ett stycke nedströms utloppet ur Harefjorden i nivå med Återslöp fram till kanalön i Säffle. (De svarta vertikala strecken kan ignoreras.)

A

B

C

52

Tabell 8 - 2 Förändringar av maximalt vattenstånd i Glafsfjorden vid minskat flödesmotstånd. (Staplarna är skalenliga men saknar skala att refereras till, jämförs istället med tillhörande siffror.) Förändring av högsta nivå i Glafsfjorden 2000 [m]1

Förändring av M i sektion A zon 2 och 3

Förändring av M i sektion B zon 2 och 3

Förändring av M i sektion C zon 2 och 3

-0,20 +5 +5 +5 -0,13 +5 +5 - -0,13 +5 - +5 -0,12 - +5 +5 -0,09 +2 +2 +2 -0,07 +5 - - -0,06 +2 +2 - -0,06 +2 - +2 -0,06 - +5 - -0,06 - +2 +2 -0,06 - - +5 -0,03 +2 - - -0,03 - +2 - -0,03 - - +2

1 Staplarna visar mera exakt minskning vid simulering än tabellsiffrorna som anger minskningen med centimeterprecision. Resultaten visar att sänkning av flödesmotståndet längs de tre sträckorna var för sig ger ett minskat högsta vattenstånd i Glafsfjorden i samma storleksordning. En svag emergens13 kan skönjas då sänkning av flödesmotståndet görs längs flera älvsträckor samtidigt.

8.2.6 Ändrat flödesmotstånd i zon 1 Det är för Byälven tänkbart att växtlighet och därmed flödesmotstånd under normalt vattenstånd varierat med hur fartygstrafiken längs Byälven förändrats. Svallvågor och propellerturbulens från större båtar kan ha en hämmande effekt på vattenväxter. För att undersöka FINKAN-modellens känslighet för denna typ av påverkan ökades Mannings M med 5 m⅓s-1i zon 1 på de sträckor som benämns A, B och C i kapitel 8.2.5. Åtgärden bedöms som relativt drastisk och kan tänkas motsvara omfattande vassborttagning och rensning från andra typer av strömningsbegränsande hinder. Den simulerade effekten av en sådan förändring är dock liten, minskningen blir i Glafsfjorden och Harefjorden mindre än 1 cm för översvämningen 2000. Effekterna blir större då det mindre extrema översvämningsförlopp som inträffade våren 1999 studeras, minskningen av de maximala vattennivåerna blev då istället 4 respektive 3 cm. Dessa skillnader är väntade eftersom flödesmotståndet i zon 1 förväntas ha större betydelse vid lägre vattenstånd.

8.2.7 Muddring I diskussioner rörande flödet genom Byälven har föreslagits att flödet kanske kan begränsas av att älven slammat igen sedan den upphörde att muddras. Osäkerhet råder kring vilket djup kanalen muddrats till men de mätningar som gjorts i samband med

13 Emergens innebär att resultatet av två åtgärder i kombination är större än summan av den effekt åtgärderna ger var för sig. Termen synergieffekter används för att beskriva samma fenomen i ekonomiska sammanhang.

53

arbetet med FINKAN-modellen (se bilaga A.3) visar att kanalen på inget ställe är grundare än den på sjökortet angivna maximala djupgången 3,0 m plus 0,3 m marginal. Således torde ingen allvarligare sedimentation ha påverkat djupet i den muddrade mitt-rännan. För att undersöka effekterna av ytterligare muddring konstruerades ett scenario där en mittränna muddrades till 4 m djupgång (+41,21 m ö.h.) relativt sjökortsnivån där detta djup inte redan förelåg. I sådana fall muddrades en 20 m bred ränna. I modellen motsvarades detta av att en sammanlagt drygt 4 km lång sådan ränna rensades, vilket är att beteckna som ett omfattande muddringsföretag. Den sammanlagda effekten av denna förändring i modellen är en minskning av den maximala vattennivån i Glafsfjorden med drygt 1 cm och en marginell ökning (<1 cm) av den maximala vattennivån i Harefjorden för översvämningen 2000. Effekterna är små och domineras av att en 20 m bred ränna i realiteten innebär en breddning av huvudfåran i Hökeströmmen.

8.2.8 Ökat flöde genom dämmet En kraftig vattennivåminskning (se fig. 8 - 5) sker under hela översvämningsförloppet över dämmet i Säffle. Samtidigt som detta är dämmets syfte under lågvattenperioder utgör det ett problem vid höga flöden då man eftersträvar en så fri utströmningsväg för vattnet som möjligt.

I dagsläget hindrar dämmet flödet även då luckorna är helt uppfällda bl.a. genom en cirka 75 cm hög tröskel på botten som luckorna vilar mot i nedfällt läge. Möjligen finns också en naturlig tröskel lite längre uppströms. Av olika skäl innehåller FINKAN-modellen inte en detaljmodell av dämmet och Backeströmmen utan istället en ränna med mycket högt flödesmotstånd som kalibrerats så att nivåerna uppströms och nedströms modell-konstruktionen stämmer väl överens med uppmätta nivåer under de översvämnings-förlopp som använts vid kalibrering (se kap. 7.9.1). Eftersom flödesförhållanden genom dämmet är tätt sammankopplade med vad som sker i slussen har inte simuleringar gjorts av en exakt upprepning av den slussöppning som gjordes 2000 tillsammans med ett ombyggt dämme. Omkonstruktion av dämmet simuleras därför istället tillsammans med

40000.0 45000.0 50000.0 55000.0 60000.0 65000.0 70000.0 75000.0[m]

44.5

45.0

45.5

46.0

46.5

47.0

47.5

48.0

48.5

49.0

49.5

[meter] 28-11-2000 13:00:00

BYALVEN 0 - 44444

4092

641

097 4128

941

448

4155

6 4171

441

909

4208

442

221

4229

142

387

4247

642

582

4268

542

800

4290

142

995

4302

943

073

4310

943

160

4329

643

395

4352

043

668

4377

443

859

4398

844

151

4429

844

444

4461

444

694

BYALVEN

4480

645

164

4546

945

619

4575

345

860

4622

046

408

4651

746

721

4686

946

905

4695

447

062

4724

747

379

4752

3

BYALVEN 47523 - 52732

4762

547

800

4806

748

201

4851

648

659

4880

348

914

4911

549

269

4947

549

531

4958

949

692

4979

749

983

5011

450

173

5026

050

297

5038

050

510

5059

250

644

5068

550

783

5089

950

955

5100

351

072

5112

251

157

5120

551

240

5131

251

343

5142

451

527

5157

851

660

5179

351

909

5197

452

032

5213

852

212

5238

452

529

5267

852

732

5289

853

137

5334

553

471

5362

153

697

5374

253

804

5386

1

BYALVEN 53861 - 70647

5392

153

990

5409

054

271

5435

754

531

5460

854

697

5486

354

915

5514

455

196

5525

655

314

5541

755

499

5554

155

576

5559

455

611

5562

155

639

5565

155

675

5569

155

718

5573

855

762

5577

755

792

5581

855

835

5586

955

885

5589

955

920

5593

756

503

5767

3

5859

659

262

6141

8

6218

8

6413

8

6545

9

6657

267

232

6730

467

350

6741

567

472

6755

267

635

6770

267

871

6791

668

000

6807

068

170

6821

568

312

6842

368

548

6867

768

781

6883

068

884

6895

669

030

6909

169

132

6915

869

246

6928

669

309

6933

869

361

6938

569

405

6950

569

573

6961

169

656

6968

469

712

6976

069

844

6988

869

909

6991

869

929

6994

069

948

6995

769

966

6997

569

981

6998

969

999

7000

770

014

7002

070

028

7003

870

044

7005

270

058

7007

470

086

7010

070

115

7013

170

150

7017

070

192

7021

670

239

7025

970

278

7029

570

330

7035

170

373

7038

870

414

7044

670

492

7053

770

570 7060

470

638

7064

770

664 7067

870

763

7078

070

790

7080

070

805

7081

070

828

7084

070

851

7093

071

073

7118

1

BYALVEN

7134

271

588

7198

072

277

7279

3

7581

5Dämmet

Figur 8 - 5 Vattennivån från den kalibrerade FINKAN-modellen mellan Björnöflagan (t.v.) och Vänern (t.h.) när vattenytan låg som högst under översvämningen år 2000, utom närmast Vänern där högsta nivå inföll något senare. Vattennivåminskningen över dämmet är markerat. (De svarta vertikala strecken samt siffrorna kan ignoreras.)

54

förändringar av förhållandena i slussen och beskrivs i kapitel 8.4.1, där också resultaten presenteras.

8.3 Simuleringar med förhöjda vattenstånd Målsättningen med arbetet med FINKAN-modellen har varit att åstadkomma en modell som kan hantera även andra frågeställningar än de som behandlar åtgärder för att minska vattennivåerna vid översvämningar. Förändrade förhållanden kan även leda till ännu högre vattenstånd än de som uppmättes år 2000. Några idéer om sådana scenarier har dykt upp under arbetets gång och resultaten av dessa simuleringar redovisas nedan.

8.3.1 Barriär mellan Kyrkviken och Glafsfjorden Bygget av en barriär i sundet som förbinder Kyrkviken med Glafsfjorden är högst aktuellt och en aspekt är den påverkan ett sådant bygge skulle ha på vattennivån utanför Kyrkviken. Att hålla nivån i Kyrkviken nere och pumpa över vatten i Glafsfjorden innebär att man minskar Glafsfjordens magasinskapacitet och man kan därför förvänta sig att en invallning skulle ha gjort att vattennivåerna hade stigit ännu högre än de gjorde under hösten 2000 om en barriär funnits. Kyrkviken utgör mellan cirka 5,8 % och 6,3 % av Glafsfjordens totala area beroende på vattenstånd. Emellertid är det inte troligt att hela den förlorade lagringsvolymen skulle bidra till ökat vattenstånd i Glafsfjorden eftersom ett ökat vattenstånd även bidrar till ökad avbördning. Effekten av en barriär beror på till vilken nivå som vattenytan inne i Kyrkviken tillåts stiga. För simuleringen har nivån +46,80 m ö.h. valts då denna bedömts som "högsta acceptabla vattenstånd för att inte allvarliga skador skall uppstå" (HydroTerra, 2002, omräknat till RH70). Simuleringen ger ett högsta vattenstånd utanför barriären på +48,71 m ö.h. vilket skulle innebära att en sådan barriär skulle höja vattenståndet i Glafsfjorden med ytterligare drygt 3 cm jämfört med den verkliga översvämningen 2000. Simuleringen visar också att vattenstånds-ökningen skulle bli ungefär densamma, 3 cm, för Harefjorden. Simuleringar av minskad sjöarea i innebär i princip ingen ökad osäkerhet alls.

8.3.2 Stängd sluss En intressant frågeställning är vad som hänt om slussen inte öppnats då vattnet steg dramatiskt under översvämningen 2000. Beslutsförfarandet då slussen öppnades är ännu inte utrett och för att man i framtiden skall kunna ta ställning till liknande åtgärder är det intressant att veta vad som hade hänt om slussen inte öppnats. För att simulera en helt stängd sluss sätts bestämmande flödesreglering i slusskanalen till 0 m3s-1 under hela översvämningsförloppet. Att slussen stängs ökar flödet genom dämmet drastiskt. Dämmet orsakar lätt numerisk instabilitet och förändringen innebar att tidssteget behövde sänkas till 2 s för att lösningen skulle hållas stabil. Detta innebär en övergång till dynamisk simulering där ekvation (3 - 20) ger Cr = 3,5 (se kap. 7.8, 3.4.7 och 3.4.8). De maximala vattennivåer som Glafsfjorden respektive Harefjorden uppnår i detta scenario är +48,80 respektive +48,04 m ö.h. vilket motsvarar 12 respektive 36 cm högre vatten-stånd än vad som verkligen uppmättes. Värt att notera är den dramatiska ökningen av vattennivån i Harefjorden som sannolikt hade fått långtgående konsekvenser för boende runt harefjorden och längs Byälven mellan Harefjorden och Säffle centrum. Simuleringen innebär att vattennivån stiger en bit utanför vad FINKAN-modellen kalibrerats för

55

samtidigt som dämmet utsätts för ett mycket stort flöde. Detta gör att osäkerheten vid dessa simuleringar är något större.

8.3.3 Effekter av klimatförändring Främst för att exemplifiera hur FINKAN-modellen kan användas har simuleringar gjorts med avrinning och kraftstationstappning korrigerad för att efterlikna tänkbara effekter av den globala uppvärmningen. Vad som försöker efterliknas är nivåerna för ett flöde med samma återkomsttid som det år 2000 om det skulle inträffa om cirka 100 år med effekter av växthuseffekten inkluderade. Avrinning och tappning har multiplicerats med månatlig medelavvikelse i avrinning beräknad specifikt för Arvika, (59,36 N; 12,36 Ö), genom data från SWECLIMs klimatmodell, som levererats från Rossby Centre på SMHI i Norrköping. Beräkningarna motsvarar samma översvämning som skedde 2000 men med daglig avrinning och tappning multiplicerad med en faktor som motsvarar den för aktuell månad gällande medelförändringen i avrinning mellan perioderna 1960 – 1990 och 2070 – 2100 enligt data från Rossby Centre. För att undvika numerisk instabilitet i dämmet i samband med ökade flöden minskades tidssteget till 1 min. Framförallt två invändningar kan direkt anföras mot detta förfarande. För det första ger SWECLIMs scenarioresultat ett varmare och nederbördsrikare klimat för området, vilket förutom att bidra till en ökad nederbörd, som resulterar i ett mera dramatiskt över-svämningsförlopp, också ökar avdunstningen. FINKAN-modellen har då de hydrauliska beräkningarna startar 2000-10-17 i det simulerade fallet samma initiala vattenmagasin som i den ursprungliga modellen; med högre avdunstning under sommaren och hösten kan man tänka sig att magasinen skulle vara mindre fyllda än de i verkligheten var. För det andra säger sig Rossby Centre kunna skönja tendenser till ökningar i frekvens och storlek av extremflöden. Sådana effekter skulle kunna ha förvärrat händelseförloppet 2000. Dessa båda effekter skulle i fallet med Byälven och översvämningsförloppet 2000 verka i motsatt riktning även om man inte kan räkna med att de skulle ta ut varandra. Simuleringarna bedömdes trots dessa invändningar vara intressanta. De data som använts är framtagna med hjälp av Rossby Centres regionalt kopplade klimatmodell RCAO kopplad till två globala klimatmodeller, HadAM3H vid Hadley Centre (HC) i Exeter, England, och ECHAM4/OPYC3 vid Max-Planckinstitutet (MPI) i Hamburg, Tyskland. Vidare har två olika globala klimatscenarion simulerats. De scenarier som använts är framtagna av FNs klimatpanel IPCC och betecknas SRES A2 respektive SRES B2. De skiljer sig åt med avseende på befolkningstillväxt, ekonomisk utveckling och teknikanvändning, där SRES A2 beskriver ett värre scenario, men med det gemensamt att de båda beskriver ökad emission av växthusgaser under 2000-talet. Modellosäkerheten för denna typ av klimatmodellerna är stora, vilket tydligt illustreras av att de båda modellerna skiljer sig signifikant från varandra resultatmässigt, och resultat bör tolkas med detta i åtanke. (Graham, 2004; Kjellström, 2004; Räisanen m.fl. 2003; Raisanen m.fl., 2004) Då den korrigerade avrinningen för översvämningsperioden 2000 ersätter den verkliga, vilket grovt kan beskrivas som händelseförloppet om motsvarande översvämning inträffar igen, om 100 år, visar FINKAN-modellen på en kraftigt förvärrad över-

56

svämningssituation. Den maximala vattennivån i Glafsfjorden uppgår för det värsta scenariot, SRES A2, då den tyska globala klimatmodellen används (MPI-A2) till +49,86 m ö.h. vilket motsvarar ett vattenstånd knappt 1,2 m högre än det som hittills uppnåtts. Samma simulering men med scenario SRES B2 (MPI-B2) ger vattenstånd 1,0 m över 2000 års nivåer. Om istället den brittiska globala klimatmodellen och scenario SRES A2 används (HC-A2) blir resultatet i FINKAN-modellen betydligt lindrigare, vattennivån i Glafsfjorden når drygt 30 cm högre än 2000 års vattennivåer. Den brittiska klimatmodellen förutspår däremot allvarligare konsekvenser för Byälven då det mindre dramatiska framtidsscenariot SRES B2 antas (HC-B2), med vattennivåer som når drygt 60 cm över de nivåer som uppmättes hösten 2000. Ökningen är med FINKAN-modellens noggrannhet för dessa simuleringar lika för Harefjorden som Glafsfjorden. I simuleringen har flödet genom slussen beräknats utifrån de nivåerna som vattnet nådde år 2000, vilket inte är korrekt. Förenklingen bedöms ändå som godtagbar eftersom det är svårt att i detalj bedöma hur flödet genom slussen skulle påverkas. Mestadels beror det på hur slussen hanteras vid ett sådant flöde då nivåerna i vissa fall skulle överstiga slussluckornas överkant. I verkligheten skulle troligtvis flödet genom slussen öka. De vattennivåer som uppnås i dessa simuleringar avviker mycket från de nivåer modellen kalibrerats för vilket innebär att det förväntade felet också är stort. De indata som använts i dessa simuleringar är dock behäftad med stora osäkerheter och det är troligt att effekterna av dessa dominerar över fel orsakade av FINKAN-modellen. Slutligen kan påpekas att klimatmodellerna som använts beräknar förväntad avrinningsökning mellan perioden 1960 – 1990 och 2070 – 2100. De flöden som denna förändring sedan appliceras på är uppmätta för år 2000, vilket ju är "en bit på väg" mellan dessa perioder. Effekten av detta torde dock vara försumbar med tanke på de stora osäkerheter som klimatmodellerna i övrigt uppvisar.

57

8.4 Kombinerade åtgärder I kapitel 8.2 redovisades en mängd enskilda åtgärder i älven och vilka konsekvenser dessa får för maximalt vattenstånd i Glafsfjorden och Harefjorden. För att uppnå en större minskning av vattennivåerna kan flera av dessa åtgärder kombineras. För dessa kombinationer måste nya simuleringar göras eftersom den sammanlagda effekten inte blir lika med summan av varje förändring för sig. Exempelvis kan en åtgärd som ensam ger mycket begränsad effekt ha betydligt större inverkan i kombination med en annan åtgärd. Detta eftersom vattennivåerna förändras vilket gör att topografi och råhet i älven påverkar vattenstånd och flöden annorlunda. Av samma orsak kan också en åtgärd ge mindre effekt i kombination med andra åtgärder, än då den görs enskilt. I tabell 8 - 3 redogörs för några simulerade kombinationer och resultaten därifrån. Resultat från alla simulerade kombinationer finns i bilaga A.8. I följande kapitel redogörs mera detaljerat för åtgärdskombinationerna som presenteras i tabell 8 - 3. Kapitelnumreringen svarar mot kolumnrubrikerna i tabellen. Tabell 8 - 3 Resultat av några åtgärdskombinationer som har simulerats. Samtliga resultat redovisas i bilaga A.8. Åtgärderna presenteras i kolumner betecknade K** /8.4.* (där K** betyder kombination nr. ** och 8.4.* syftar på motsvarande kapitel i rapporten). I kolumnerna är vidtagna åtgärder angivna med grå markeringar och resultat från simuleringar avläses i nedre delen av tabellen för respektive år.

Kombinationsbenämning Åtgärdsbeskrivning

Motsvarande enskild åtgärd K2

8.4.1 K9 8.4.1

K15 8.4.2

K17 8.4.2

K14 8.4.3

K26 8.4.4

K18 8.4.5

Ökat flöde genom slussen 8.2.1 Borttagning av invallningar 8.2.2 Vidgning av Hökeströmmen 8.2.3 c Effekter av förändrad vattendom 8.2.4 M i zon 2 & 3 på sträcka A & B +2 8.2.5 AB +2 M i zon 2 & 3 på sträcka A & B +5 8.2.5 AB +5 M i zon 2 & 3 på sträcka A, B & C +10 (saknas) M i zon 1 på sträcka A, B & C +10 (saknas) Barriär till Kyrkviken 8.3.1 M i zon 1 på sträcka A & B +5 (saknas) Stängd sluss 8.3.2 M i dämmet ändrat till 25 (saknas) M i dämmet ändrat till 35 (saknas) Tröskel i dämmet borttagen (saknas) År 2000

Glafsfjorden: Maximal vattennivå [m ö.h.] 48,41 48,48 48,51 48,69 48,51 48,20 47,91 Glafsfjorden: Förändring av maximal vattennivå [m] -0,28 -0,21 -0,18 <0,01 -0,18 -0,48 -0,78 Harefjorden: Maximal vattennivå [m ö.h.] 47,03 47,29 47,32 47,68 47,74 46,84 46,71 Harefjorden: Förändring av maximal vattennivå [m] -0,65 -0,39 -0,36 <0,01 +0,06 -0,84 -0,97

År 1999

Glafsfjorden: Maximal vattennivå [m ö.h.] 47,15 47,17 - - 47,26 - - Glafsfjorden: Förändring av maximal vattennivå [m] -0,21 -0,19 - - -0,10 - - Harefjorden: Maximal vattennivå [m ö.h.] 46,03 46,17 - - 46,80 - - Harefjorden: Förändring av maximal vattennivå [m] -0,74 -0,60 - - +0,03 - -

58

8.4.1 Ombyggt dämme För att simulera effekterna av en omkonstruktion av dämmet i Säffle sänktes botten, invid luckkonstruktionen, i dämmet till 42,50 m ö.h. och Mannings M sattes till 25 m⅓s-1, vilket motsvarar en grovt sprängd eller grävd kanal (Reinius, 1962). Exempel på åtgärder som skulle kunna bidra till att nå sådana förhållanden är muddring av rännan där den är grund, avlägsning av bergklackar och utstickande konstruktioner som hindrar flödet och att man ser till att inga trösklar eller liknande är begränsande. Scenariot simuleras dels utan att slussen öppnas, vilket motsvaras av scenariot beskrivet i kapitel 8.3.2, dels i kombination med helt öppen sluss enligt kapitel 8.2.1. Ett ombyggt dämme enligt angivna parametrar resulterar i en minskad högsta vattennivå i Glafsfjorden med 21 cm då slussen hålls stängd (K9). Om slussen hålls öppen (K2) blir minskningen istället 28 cm. Viktigt att tänka på är att simuleringen motsvarar en omkonstruktion av hela sträckan från kanalöns norra ände tills slusskanalen och huvudfåran återförenas nedanför slussen så att denna sträcka motsvarar de parametrar som simuleringen görs med. Åtgärderna innebär modell-mässigt alltså inte en förändring utan i princip införandet av en ny älvsträcka med givna egenskaper. Osäkerheterna när det gäller strömningssituationen i själva dämmet blir stora samtidigt som osäkerheterna i hur resten av älven uppför sig vid simulerade åtgärder i dämmet inte ökar.

8.4.2 Kompensationsåtgärder vid barriärbygge Vid simulering av effekterna av ett barriärbygge som skulle stänga av Kyrkviken från resten av Glafsfjorden (se kap. 8.3.1) konstaterades att en liten höjning är att vänta för resten av Byälvssystemet. FINKAN-modellen visar på en generell påverkan på vatten-nivåerna i Glafsfjorden och Harefjorden på +3 cm. Att åstadkomma en sänkning av den maximala vattennivån i samma storleksordning, för att kompensera för konsekvenserna av ett barriärbygge torde inte behöva innebära speciellt långtgående åtgärder. Nästan alla av de i kapitel 8.2 beskrivna individuella åtgärderna skulle var för sig kunna ge tillräcklig effekt. Ett exempel på en sådan åtgärdskombination vore en ombyggnation av dämmet enligt kapitel 8.4.1 som då den kombineras med ett barriärbygge i Kyrkviken (K15) ger en minskad högsta vattennivå på 18 respektive 36 cm för Glafsfjorden och Harefjorden även om luckorna i slussen hålls stängda under hela översvämningsförloppet. Om man nöjer sig med att "i alla fall inte försämra" förhållandena utanför Kyrkviken vid ett barriärbygge kompenserar en ombyggnation av dämmet gott och väl för bygget. Även en mindre omfattande ombyggnation av dämmet än den som föreslås i kapitel 8.4.1 skulle räcka för att kompensera för en barriär till skydd för Kyrkviken. Diskussioner har förts angående en förändring av vattendomen för Byälven och effekterna av en tänkbar effekt av detta simulerades i kapitel 8.2.4. Detta gav en simulerad minskning av den under översvämningen 2000 högsta vattennivån av samma storlek som den höjning ett barriärbygge skulle ge upphov till. Då båda dessa förändringar simuleras samtidigt (K17) visar FINKAN-modellen också att effekterna i princip skulle släcka ut varandra, resultatet visar avvikelser i vattennivåer med mindre än 1 cm jämfört med de som uppmättes 2000 om vattennivån inte tillåts stiga över 46,8 m ö.h. i Kyrkviken.

59

8.4.3 Negativa effekter i Harefjorden De flesta individuella åtgärdskombinationer som simulerats uppvisar minskade högsta vattennivåer längs hela älvsträckningen. Åtgärder som omfattar enbart älvsträckningen mellan Glafsfjorden och Harefjorden orsakar dock generellt marginella höjningar av vattennivån i Harefjorden samtidigt som nivåerna i Glafsfjorden sjunker. Den största sådan effekt som åstadkommits vid de simuleringar som gjorts inträffar då man minskar flödesmotståndet i område A och B (se kap. 8.2.5 och 8.2.6) genom att öka Mannings M med 5 m⅓s-1, tar bort ön i Hökeströmmen och vidgar älvfåran vid utloppet i Harefjorden enligt förfarandet i kapitel 8.2.3. De sammanlagda effekterna av dessa förändringar ger i FINKAN-modellen minskade vattennivåer i Glafsfjorden med 18 cm hösten 2000 och 10 cm våren 1999. Samma simulering visar på ökade maximala vattenstånd i Harefjorden med 6 respektive 3 cm och därmed skulle dessa åtgärder förbättra förhållandena runt Glafsfjorden på bekostnad av intressenter runt Harefjorden, om än ganska marginellt.

8.4.4 Realistiskt åtgärdspaket En kombination av åtgärder för att lindra effekterna av översvämningar skulle enligt FINKAN-modellen kunna ge signifikanta resultat. Nedan följer beskrivningen av en realistisk sådan kombination (K26) av åtgärder och en redogörelse för vilka effekter som uppnås. Åtgärdspaketet är inte att betrakta som ett verkligt förslag utan inkluderas för att visa på emergens och hur en kombination av åtgärder skulle kunna se ut. Exemplet omfattar följande åtgärder: • Slussen öppnas i ett tidigare skede och då helt (se kap. 8.2.1) • Dämmet konstrueras om som beskrivet i kapitel 8.4.1 • Åtgärder vidtas i zon 2 och 3 på sträckorna A och B så att Mannings M ökas

med i genomsnitt 2 m⅓s-1 (se kap. 8.2.5) • Det initiala vattenståndet minskas med 50 cm, vilket skall motsvara en konsekvens av ändrad vattendom (se kap. 8.2.4) • Vallarna som skyddar åkermarken vid Gillberga och norr om Dösslingen schaktas bort (se kap. 8.2.2) De sammanlagda effekterna av dessa åtgärder då de implementeras i FINKAN-modellen blir en minskning av de högsta vattennivåerna i Glafsfjorden och Harefjorden med 48 respektive 84 cm för översvämningen hösten 2000. Den största effekten syns alltså i Harefjorden. Intressant att notera är hur effekten av borttagandet av översvämnings-vallarna på grund av emergens ökat markant från att vara knappt märkbar som enskild åtgärd (se kap. 8.2.2) till att ge stora effekter (jämför simulering K26 och K24 i bilaga A.8). Orsaken till detta är förmodligen att vattennivåerna, då de ovan nämnda åtgärderna vidtagits, har sjunkit och därmed inte når så högt över vallarna som då inga åtgärder vid-tagits. Effekten av borttagning av vallarna blir då kraftigare. Minskningen orsakad av borttagning av vallarna är för Glafsfjorden 11 cm och för Harefjorden 19 cm. Att vatten-ståndet minskar i Harefjorden verkar underligt och misstänks vara felaktigt.

60

8.4.5 Extremt åtgärdspaket Också ett mycket extremt åtgärdspaket simulerades (K18) där alla individuella åtgärder som bidrar till lägre vattennivåer i systemet kombineras. Det innebär följande förändringar jämfört med det åtgärdspaketet som beskrivs i kapitel 8.4.4: • Åtgärder vidtas i zon 2 och 3 på sträckorna A, B så att mannings M ökas med i genomsnitt 10 istället för 2 m⅓s-1; åtgärder vidtas även i zon 1 på sträckorna A och B samt i alla zoner på sträcka C så att Mannings M ökas med 10 m⅓s-1 • Ön i Hökeströmmen tas bort helt (se kap. 8.2.3) • Förträngningen i Hökeströmmen vidgas (se kap. 8.2.3) • Dämmet konstrueras om som beskrivet i kapitel 8.4.1 men Mannings M i själva rännan ökas till 35 m⅓s-1 De sammanlagda effekterna av dessa åtgärder då de implementeras i FINKAN-modellen ger en minskning av de högsta vattennivåerna i Glafsfjorden och Harefjorden med 78 respektive 97 cm för översvämningen hösten år 2000. Det är viktigt att understryka att detta scenario representerar mycket drastiska åtgärder, speciellt i samband med åtgärderna för att minska flödesmotståndet på sträckorna, vilka sannolikt skulle innebära stora både ekonomiska och praktiska problem.

9 Diskussion och slutsatser De förhoppningar och mål för projektet som skissades upp på ett tidigt stadium har i stor utsträckning uppnåtts: Att utifrån en detaljerad höjdmodell konstruera en väldokumenterad hydraulisk modell över Byälven; att med hjälp av modellen identifiera flödes-hämmande faktorer och att undersöka vilka effekter förändringar av dessa kan väntas ge på höga vattenstånd mellan Jössefors och Säffle. Jämförelsen mellan IHMS (HBV-modellen) och Rainfall runoff har inte genomförts som planerat, endast IHMS har använts i den slutgiltiga FINKAN-modellen. Vilken noggrannhet och tillförlitlighet som kunde uppnås med FINKAN-modellen fanns inledningsvis dålig kunskap om. Hur kalibrering skulle göras för att, på ett rationellt sätt, uppnå god samstämmighet med mätvärden var oklart. Enträget kalibreringsarbete gjorde dock att anpassningen till uppmätta värden blev tillfredsställande. Tillförlitligheten i modellen bedöms vara god för vattennivåer inom kalibrerat område och minska utanför detta. Den detaljerade höjdmodellen som FINKAN-modellen bygger på gör dock att simuleringar utanför kalibreringsintervallet är möjliga i fall då kraven på precision inte är så höga. Ett antal åtgärder längs älven identifierades och simulerades med FINKAN-modellen. Vissa av dessa innebär stora ekonomiska kostnader, några innebär kraftig påverkan på naturen och dessutom innebär en del av förslagen återgärder på privat mark. Mera omfattande ingrepp medför ofta andra konsekvenser än de som simuleras med FINKAN-modellen och dessa måste beaktas. En viss värdering av vilka åtgärder som skulle vara

61

effektivast har gjorts i kapitel 8. Fortsatt undersökning av vilka åtgärder som bedöms vara möjliga och önskvärda att genomföra ligger utanför detta arbete och diskuteras inte vidare. Några föreslagna åtgärdskombinationer har simulerats, men innan besluts fattas om vilken konkret åtgärdskombination som blir aktuell bör denna simuleras specifikt.

Resultat i relation till problem och tidigare undersökningar De minskningar i vattenstånd mellan Glafsfjorden och Säffle som beräknas uppkomma som effekt av beskrivna åtgärder kan inte eliminera översvämningar. De simuleringar som gjorts visar på möjliga minskningar av maxnivåerna med knappt 80 cm i Glafsfjorden för hösten 2000 med den mest extrema återgärdskombinationen; för mer realistiska åtgärder kan minskningen väntas bli knappt 50 cm. Detta ska relateras till att vattenståndet under samma period var drygt 3 m över normalt vattenstånd i Glafsfjorden, och 1,9 m över vad som bedömts vara "högsta acceptabla vattenstånd för att inte allvarliga skador skall uppstå" (HydroTerra, 2002, omräknat till RH70). De vattenståndsminskningar som är möjliga att åstadkomma innebär dock att räddningsinsatsernas omfattning samt skador på byggnader och infrastruktur kan minskas. Åtgärder längs älven kan även användas som kompensation för de ökade vattenstånd ett eventuellt barriärbygge vid Kyrkviken skulle ge upphov till. Dessa åtgärder behöver medföra en mycket liten sänkning av vattenståndet eftersom den förväntade vattenståndsökningen av ett barriärbygge endast är cirka 3 cm. De minskningar av maximala vattenstånd som har beräknats i detta arbete bör relateras till tidigare undersökningar. Möjliga högvattennivåminskningar för byälvssystemet som beräknats av Svensson m.fl. (2002) är i samma storleksordning som de som beräknats med FINKAN-modellen. Den kraftigaste åtgärd som simulerades av Svensson m.fl. (2002) innebar ökning av flödet i Säffle med 15 % samt breddning och fördjupning av älvsträckan mellan Glafsfjorden och Harefjorden med 10 respektive 0,5 meter. Denna åtgärd gav minskningar av maximala vattenstånd för översvämningen år 2000 med 42 cm i Glafsfjorden, 34 cm i Gillbergasjön och 17 cm i Harefjorden. Den breddning och muddring av älvfåran som simulerats är dock inte realistiskt utan istället tänkt att motsvaras av mera lokala åtgärder längs älvsträckningen. KaU-modellens var inte tillräckligt detaljerad för att identifiera var specifika åtgärder skulle behöva sättas in. Med FINKAN-modellen har dessa förändringar kunnat identifieras till specifika åtgärder på ett antal bestämda platser. Resultaten visar även att omfattande åtgärder skulle kunna sänka vattennivån vid en översvämningssituation ytterligare något jämfört med de simuleringar som gjordes med KaU-modellen. FINKAN-modellen har även kunnat användas för att simulera fler olika typer av åtgärder och har tack vara den mera detaljerade höjdinformationen större giltighet utanför de vattennivåer som modellerna kalibrerats för än både KaU-modellen (se kap. 2.1) och Räddningsverkets modell (se kap. 2.2).

Möjliga förbättringar Eftersom kunskapen om vad som var möjligt att göra med programverktygen till en början var bristfällig var det svårt att konkretisera målen helt innan projektet inleddes och önskemål har under arbetets gång uppkommit från Arvika kommun bland annat om högre

62

detaljrikedom i simulering av dämmet. Det skulle möjliggöra en noggrannare under-sökning av ombyggnation i dämmet än vad som är möjligt i den nuvarande FINKAN-modellen. Dessa önskemål har uppkommit i samband med att en diskussion kring luckbyte och ombyggnation i dämmet har inletts mellan Arvika kommun och Sjöfartsverket. Att denna högre detaljrikedom inte har kunnat beskrivas i den nuvarande modellen beror framförallt på att den funktion kallad Radial gate (se bilaga B.1) som testats för detta ändamål gav upphov till kraftiga instabiliteter, vilka inte heller DHI innan denna rapports färdigställande kunnat råda bot på. Det är dock förmodligen möjligt att lösa instabilitetsproblemen med lämplig modellkonstruktion och kort tidssteg. Alternativt kan en separat studie göras av förhållandena enbart kring dämmet, där beräknade flöden genom dämmet kan relateras till ett motsvarande flöde i FINKAN-modellen och modellerna kan på så vis kopplas samman. För en detaljerad beskrivning av dämmet skulle dessutom en noggrann inmätning av bottendjup och kanalens form kring dämmet behöva göras; speciellt bör utredas om det finns någon tröskel vid kanalöns nordspets, vilket det finns misstankar om (Svensson m.fl., 2002). Om mer detaljerade under-sökningar görs kring dämmet bör också älvsträckan mellan Säffle och Vänern studeras mer noggrant. För att bättre beskriva effekterna som orsakas av ändring i flödesmotstånd längs älv-sträckorna bör modellen också kalibreras för låga och normala vattenstånd. En mer verklighetstrogen beskrivning av bottens råhet innebär att mer specifika åtgärder, i form av minskat flödesmotstånd, kan simuleras. Dessutom skulle detta innebära minskade osäkerheter i de simuleringar som gjorts. För att kunna kalibrera modellen vid lägre flöden och vattenstånd måste dock dämmet och dess luckor beskrivas. En annan modell-förbättring som skulle bidra till mer exakt och mer tillförlitlig beskrivning av ändrat flödesmotstånd längs älven vore att specifikt beskriva de broar som korsar Byälven. Detta eftersom bropelarna orsakar flödesmotstånd, vilket i den nuvarande modellen kompen-serats av ökat generellt flödesmotstånd. För att förbättra FINKAN-modellen och göra historiska vattenståndsmätningar använd-bara för kalibrering samt underlätta framtida studier bör samtliga peglar längs Byälven vägas in i ett gemensamt höjdsystem. Det vore även önskvärt med en invägd pegel vid utloppet i Vänern såväl som på några fler ställen längs älvsträckningen. Om det inte finns möjlighet att avläsa samtliga peglar varje dag skulle ett rationellt system för avläsning av dessa kunna upprättas: vid normala vattenstånd avläses endast vissa peglar, men då vattennivåerna överstiger en bestämd nivå avläses samtliga peglar. Detta skulle innebära att betydligt mer data finns tillgänglig för kalibrering vid höga vattenstånd och en mer korrekt beskrivning av älven kan göras.

Andra användningsområden FINKAN-modellen kan användas för fler applikationer än vad som hittills gjorts. Ett närliggande användningsområde är att göra översvämningskartering längs Byälven. Höjddata finns för framställan av mycket detaljerade översvämningskartor över de områden som laserscannats från Vänern till Harefjorden och mellan Harefjorden och upp till Björnöflagan. Om mer detaljerad höjdinformation inhämtas kan översvämnings-kartering göras för hela systemet mellan Jössefors och Vänern. Detaljerad höjd-

63

information behöver inte nödvändigtvis komma från laserscanning. I städer finns ibland redan detaljerade höjdmodeller tillgängliga vilka om de justeras till korrekt höjdsystem kan användas för kartering. FINKAN-modellen kommer att förvaltas av NÄS och ska vid behov att kunna användas för nya simuleringar. Modellen kommer även att finnas tillgänglig för Räddningsverket på SMHI och utgöra ett bra verktyg för att prognostisera vattennivåer vid eventuella nya översvämningssituationer i området.

64

Referenser Litteraturreferenser Abbott, M.B., Ionescu, F., 1967. On Numerical Computation of Nearly -horizontal Flows, J. Hyd. Res., vol.5 Bergström, S., 1976. Development and application of a conceptual runoff model for Scandinavian catchments, SMHI Report RHO 7, Norrköping Bergström, S., 1990. Parametervärden för HBV-modellen i Sverige, SMHI Hydrologi Nr. 28, 1990. Norrköping Chow, V. T., 1959. Open-channel Hydraulics, McGraw-Hill book company DHI, 2003a. MIKE 11 User Guide DHI, 2003b. MIKE 11 Reference Manual DHI, 2004. MIKE 11 Reference Manual Eriksson, B., 1981. Den potentiella evapotranspirationen i Sverige, RMK 28, SMHI Graham, L.P., 2004. Climate change effects on river flow to the Baltic Sea, Ambio HydroTerra, 2002. Förstudie - Invallning av Kyrkviken, Karlstad Kjellström, E., 2004. Recent and future signatures of climate change in Europe, Ambio Lantmäteriet, 2004. www.lantmateriet.se, produktblad GSD-Höjddata, åtkomst september 2004 Lindström, G., Gardelin, M, Johansson, B., Persson, M., Bergström, S., 1996. HBV-96 - En areellt fördelad modell för vattenkrafthydrologin, SMHI Report RH 12, Norrköping Nakayama, Y., Boucher R. F., 1999. Introduction to Fluid Mechanics, London Reinius, E., 1962. Vattenbyggnad del 1 – Hydraulik, Stockholm Räddningsverket, 2002. Översiktlig översvämningskartering längs Byälven, Rapport nr 25, 2002-01-24 Räisänen, J., Hansson, U., Ullerstig, A., Döscher, R., Graham, L.P., Jones, C., Meier, M., Samuelsson, P., Willén, U., 2003. GCM driven simulations of recent and future climate with the Rossby Centre coupled atmosphere - Baltic Sea regional climate model RCAO SMHI Reports Meteorology and Climatology 101, SMHI

65

Räisänen, J., U. Hansson, A. Ullerstig, R. Döscher, L.P. Graham, C. Jones, H.E.M. Meier, P. Samuelsson, U. Willén, 2004 European climate in the late 21st century: regional simulations with two driving global models and two forcing scenarios, SMHI Sjöfartsverket, 2000. Sjökort 134 Arvika-Säffle-Köpmannebro SMHI, 2004. IHMS (Integrated Hydrological Modelling System) Manual, Version 4.5 Svensson, T., Andersson, J-O., Blumenthal, B., Forsberg, J., Hedelin, B., 2002. Projekt Byälven – Översvämningsrisker, förebyggande åtgärder och konsekvenser, Nationellt centrum för älvskadeteknik, Karlstads universitet

Muntliga referenser Andersson, K., 2004. Samtal med Kerstin Andersson, SMHI, 2004-12-13 Dyberg, I., 2004. Telefonsamtal med Ingvar Dyberg, Sjöfartsverket Trollhättan, november 2004 Ehlert, K., 2004. Telefonsamtal med Kurt Ehlert, SMHI Norrköping, oktober 2004 Jansson, B., 2004. Telefonsamtal med Bertil Jansson, SMHI Norrköping, oktober 2004 Olsson, T., 2004. Samtal på Vattendagarna med Torbjörn Olsson, VD Länsförsäkringars Omvärldsenhet, 2004-11-23 Tapio, A., 2004. Samtal i Säffle med Arto Tapio, juni 2004 Vikström, M., 2004. e-post från Maria Vikström, DHI Göteborg, 2004-11-22 Yacoub, T., 2004. Telefonsamtal med Tahsin Yacoub, SMHI Norrköping, oktober 2004

A.1 Återkomsttid En viktig frågeställning när det gäller översvämningar är hur ofta man kan förvänta sig att de inträffar. SMHI har beräknat vattenståndet i Glafsfjorden under översvämningen år 2000 att motsvara ett flöde med en återkomsttid på 500 år (Räddningsverket, 2002). För beräkning av återkomsttid för högsta vattennivån år 2000 används tidsserier med årsmax för perioden 1935 - 2000 (med undantag för 1962 – 1965 som inte finns registrerade). En svagt positiv trend (8,64 · 10-7 m·år-1) avlägsnas från serien varefter den antas normalfördelad och har väntevärde W = 46,65 m ö.h., och standardavvikelse σ = 0,63 m. Normalfördelning har antagits på inte helt solida grunder och Gumbel- eller Pearsonfördelning skulle ge annorlunda återkomsttid. Risken för en vattennivå lika med eller högre än den år 2000 definieras som: P(WMax ≥ WMax(2000)) = 1 - P(WMax < WMax(2000)) (A - 1) där WMax(2000)

14 = 48,64 m (A - 2) WMax ~ N(46,65 m; 0,63 m) (A - 3) P(WMax < WMax(2000)) = 0,9992 (A - 4) vilket ger P(WMax ≥ WMax(2000)) = 1 - 0,9992 = 0,0008 (A - 5) villket ger en återkomsttid T enligt

12500008,01

)(1

)2000(

==≥

=MaxMax WWP

T år (A - 6)

För det aktuella systemet är dock dessa beräkningar behäftade med problem eftersom förändringar i hur vattenstånden regleras från Säffle stör stokastiken i registrerade årsmax. Om detta påverkat statistiken så att hela serien inte kan anses komma från samma fördelning bör serien istället delas upp i kortare perioder. Svensson m.fl. (2002) har gjort detta och uppskattar den vattennivå som uppmättes 2000 till att ha en återkomsttid på mellan 60 och 170 år baserat på statistik mellan år 1966 och 2000. Detta förfarande minskar dock antalet mätvärden så att man närmar sig gränsen för när de statistiska metoder som använts är tillämpliga.

14 WMax(2000) är det uppmätta maximala vattenståndet med avdrag för trend i mätserien

A.2 Editorer i MIKE 11 Skärmdumpar från de editorer i MIKE 11 som använts under arbetet med FINKAN-modellen visas i figur A - 1 t.o.m. A - 6.

Figur A - 1 Skärmdump från Simulation Editor som bl.a. visar inställningsmöjligheter av tidssteg och simuleringsperiod.

Figur A - 2 Skärmdump från River Network Editor som visar nedre delen av översvämningsområdena vid Gillberga, med flödet riktat nedåt i figuren. Rektanglarna visar positioner där tvärsektioner är placerade.

Figur A - 3 Skärmdump från Cross Section Editor som visar en tvärsektion, med XZ-punkter visade i tabell i mitten och grafiskt till höger.

Figur A - 4 Skärmdump från Hydrodynamic Editor där en tabell med flödesmotstånd specificerat som Mannings M visas.

Figur A - 5 Skärmdump från Boundary Editor som visar randvillkor till modellen.

Figur A - 6 Skärmdump från Rainfall runoff Editor med en tabell över delavrinningsområdena.

A.3 Ekolodning Ekolodning av intressanta partier längs älvsträckan utfördes av mellan 21 och 27 april 2000. Ekolodning utfördes med ett NAVMAN DEPTH 3100 ekolod och en MAGELLAN WAAS-korrigerande GPS kopplade till en datainsamlare. Ytterligare en WAAS-korrigerande GPS, av märket GARMIN, kopplad till en annan datainsamlare fanns under mätperioderna placerad rakt över en fixpunkt inom några kilometers radie från mätbåten. För att sammanställa en djupmodell registrerades information om djup under mätbåt, vattenstånd, GPS-position och GPS-drift. Informationen sammanställdes sedan till en djupmodell i nationella referenssystem, RH70 och RT90.

A.3.1 Vattenytor och höjdfixar För kunna registrera vattenytans lutning längs älvsträckan under mätningarna upprättades 11 höjdreferenser som höjdbestämdes genom avvägning som utfördes av mättekniker från Arvika kommun. Höjdfixarnas placeringar är markerade i figur A - 7. Höjderna bestämdes i referenssystemet RH70 utifrån kända höjdreferenser längs större vägar. Vattennivåerna vid höjdfixarna registrerades vid lodningen för de fixar som var aktuella för området som lodades. Registrerade vattennivåer vid olika tidpunkter redovisas i tabell A - 1. Utifrån registrerade vattenstånd linjärinterpolerades sedan vattenytor vilka representerades med plan i 3d så som vattennivån antogs ligga under mätperioderna.

Tabell A - 1 Vattennivåregistreringar under lodning för bottenkartering listade från norr till söder. Plats Avläst nivå

2004-04-21 (m ö.h.)

Avläst nivå 2004-04-22 (m ö.h.)

Avläst nivå 2004-04-26 (m ö.h.)

Avläst nivå 2004-04-27 (m ö.h.)

Glafsfjorden 45,825 - - - Högsäter 45,785 45,770 - - Vid Gillberga Kyrka - 45,679 - - Nysäter - 45,625 45,542 - Cirka 2 km söder om Nysäter - - 45,517 - Dösslingen - - 45,463 - Harefjorden (norra) - - 45,435 45,450 Nordväst om Rolfserudstorp - - - 45,433 Rakt väster om Rolfserud - - - 45,397 Säffle, norr om Kanalön - - - 45,369

A.3.2 Djupbestämning vid GPS-position I mätbåten registrerades varje sekund aktuellt djup och aktuell GPS-position. Båten manövrerades så att trånga och oregelbundna sektioner kartlades noggrannare än breda

"Îi"Îi

"Îi

"Îi"Îi

"Îi"Îi

"Îi"Îi"Îi"Îi

SÄFFLE

Stömne

Nysäter

Byälven

Harefjorden

Glafsfjorden

Vänern

Figur A - 7 Karta med markeringar där höjdfixar upprättades

och uniforma sektioner som mindre påverkar strömningsberäkningar respektive approximeras bra genom interpolation. Exakt djup för varje GPS-position linjärinterpolerades mellan de två i tid närmast registrerade djuppunkter enligt ekvation (A - 7). Principen för beräkningen illustreras i figur A - 8.

)()()()()( −−+

−+− −⋅

−−

+= ekoGPSekoeko

ekoekoekoGPS tt

tttdtdtdtd (A - 7)

med följadnde beteckningar: d(t) djup vid tidpunkt t [m] tGPS tidpunkt för registrerad GPS-position teko

+/- tidpunkt för ekolodmätning (+/- betecknar närmast efter/före aktuell tid t)

A.3.3 Atmosfäriska störningar och systematisk förskjutning Under det att mätningar gjordes i mätbåten registrerades GPS-positionen för en mottagare placerad direkt över en i horisontalplanet känd fixpunkt inom några kilometers radie från aktuellt mätområde. Utifrån dessa mätningar kan det momentana felet härrörande från atmosfäriska störningar beräknas enligt:

)()()( fixfixGPSstörningk atmosfäris tpositiontpositiontfel −= − (A - 8) Förfarandet är att likna vid vad som kallas differentiell GPS men skiljer sig något då man bortser från att båda GPS-stationerna inte nödvändigtvis har kontakt med exakt samma satellitkonstellation och att ingen korrigering för detta införs. Vidare kunde konstateras att de två GPS:er som användes inte gav samma resultat utan koordinater systematiskt förskjutna från varandra. För exakt positionsbestämning är denna situation inte den bästa men begränsade resurser och tid gjorde att befintlig utrustning ändå användes.

td

Figur A - 8 Illustration av hur djupet beräknas vid en specifik tidpunkt, som motsvarar den tidpunkt då en GPS-position registrerats.

tid för GPS-position (tGPS)

beräknat djup vid aktuell GPS-position (dGPS)

registrerat djup (deko)

tid för lodskott

interpolerat avstånd till botten (d)

registrerat lodskott

Teckenförklaring

För att kompensera för förskjutningen registrerades ett antal koordinater med båda GPS:erna och förskjutningen beräknades till 7,2 m (standardavvikelse σ = 1,5 m) i x-led och - 6,8 m (standardavvikelse σ = 1,3 m) i y-led (RT90). Därmed kunde det detta systematiska fel sammanfattas med en vektor i planet som beskriver felet. [ ] 6,8- ; 7,2 ngförskjutni =fel (A - 9) Korrigerade positioner i planet beräknades slutligen enligt: görskjutninstörningk atmosfärisroverGPS )()()( ffeltfeltpositiontposition +−= − (A - 10)

där )](),([)( tytxtposition = (A - 11)

A.3.4 Beräkning av bottennivåer i gemensamt höjdsystem För att beräkna absolut höjdnivå vid varje registrerad position projicerades positionen på en 3d-polygon som spänns upp av den registrerade vattennivån vid mättillfället. Från denna projicerade punkts z-koordinat z0 subtraheras sedan djupet vid motsvarande tid d(t). Denna differens ger absoluta höjden vid given position vid tiden tGPS. )()()( 0 tdtztz −= (A - 12)

[ ] [ ])(),(),()(,)()(3 tztytxtztpositiontposition d == (A - 13)

A.3.5 Datagenomgång Bland registrerade höjdpunkter finns en del brus som härrör från felaktiga registreringar av lodskott. Exempel på sådana fel är då ekot från ekolodet reflekterats i båtens botten och studsat två gånger ner till botten, i sådana fall syns avvikande djuppunkter på dubbla omgivande djup. I andra fall har ekolodet ”hakat upp sig” och givit helt orealistiska värden. Vid mycket tät bottenvegetation, exempelvis då mätbåten kördes genom vassruggar och liknande skall ekolodet egentligen ge en felsignal men ibland registrerades dock felaktiga mätvärden. Dessa typer av felregistrerade djup går till största delen att visuellt identifiera och rensa bort då data representeras i 3d. Karaktäristiska utseenden på felaktiga djupregistreringar är förutom starkt avvikande mätpunkter också orealistiskt långa serier med exakt samma registrerade djup. Felaktiga mätpunkter avlägsnades genom visuell genomgång och datamängden reducerades därmed från 55 619 registrerade djup till 52 429 korrekt registrerade djup, vilket motsvarar 94 % av det ursprungliga antalet djuppunkter.

A.3.6 Interpolering av 3D-modell För att utifrån registrerade absoluta höjdpunkter så bra som möjligt representera den verkliga bottnens utseende konstruerades en 3d-modell genom direkt triangulering mellan registrerade djuppunkter. Metoden, som utifrån ett antal punkter i tre dimensioner skapar en tredimensionell yta går till så att man i GIS-programvara konstruerar en TIN-fil som utgör ytan. Hur ytan konstrueras utifrån punkterna illustreras i figur A - 9. Även andra interpolationsmetoder undersöktes men exempelvis Kriginginterpolation påverkades mycket av att mätpunkterna låg i ett sicksack-mönster eftersom interpolationsmetoden viktar närliggande mätpunkter omvänt exponentiellt mot det radiella avståndet. Med direkt triangulering ger mätpunkternas distribution endast upphov till en mindre veckning av älvfåran. Skillnaden syns tydligt i figur A - 10. Slutligen erhölls en triangulerad yta som beskriver botten i lodade sektioner av älvfåran med drygt 50 000 noder. Datamängden upptar knappt 10 Mbyte lagringsutrymme.

Figur A - 10 Topografin till vänster är direkt triangulerad, effekten av mätpunkternas (markerade som gröna punkter) sicksack-distribution blir endast marginell. Topografin till höger föreställer samma älvsträcka men interpolerad med Kriginginterpolation, vilket ger en sicksack-liknande utseende på älvfåran.

Figur A - 9 Principen vid direkt triangulering beskrivs av figuren. Mätpunkterna får utgöra noder i en yta som består av en stor mängd trianglar. Ytan representeras av en TIN-fil.

A.4 SMHIs beräkning av flöde genom dämmet Avbördningen sker över en fast tröskel mot vilken tre luckor kan nedsänkas för att dämma uppströms. Arrangemanget, kallat dämmet, beskrivs närmare i kapitel 7.4 och bilaga B.1. För att beräkna avbördningen har SMHI använt några olika hydrauliska formler beroende på rådande strömningsförhållanden. Strömningsförhållandena för varje lucka delas upp i tre möjliga fall Fall A - flödet regleras av luckställning, inträffar då luckans nederkant är lägre

än vattenytan Fall B - dammluckan påverkar inte flödet som istället bestäms av skillnaden i

vattennivå uppströms och nedströms luckan; detta inträffar då luckan är helt uppfälld och h2 > ⅔ h1

Fall C - dammluckan påverkar inte flödet som istället bara bestäms av

vattennivån uppströms dämmet eftersom vattennivåskillnaden är så stor att en bestämmande sektion antas uppstå i dämmet; detta inträffar då luckan är helt uppfälld och h2 < ⅔ h1

med följande beteckningar: h1 vattennivå ovanför tröskeln [m] (mätt vid pegel benämnd Dämmet) h2 vattennivå nedanför tröskeln [m] (mätt vid pegel benämnd Backeströmmen) där flödet beräknas på följande sätt: A ( )211 2 hhgBhq −= µ (A - 14) B ( )2111 2 hhgBhq −= µ (A - 15)

C 111 297,032 ghBhq µ= (A - 16)

med följande beteckningar: q flöde [m2s-1] µ1 utströmningskoefficient [-] h lucköppning [m] B dammluckans bredd [m] g tyngdaccelerationen [m·s-2] Flöden beräknas individuellt för de tre dammluckorna med parametervärden från tabell A - 2 och summeras därefter. Tabell A - 2 Parametervärden använda vid beräkningar av flöde genom dämmet. Parameter Värde B 10,6 g 9,81 µ1 0,7

A.5 Parametervärden för IHMS Tabell A - 3 Värden på kalibreringsparametrar i IHMS Parameter Värde använda i

FINKAN-modellen Värden för området enligt SMHI

'pcorr ' 1,0 0,850 'pcalt ' 0,10 0,10 'pcaltl ' 0,0 - 'tcalt ' 0,60 0,60 'rfcf ' 1,0 1,0 'sfcf ' 1,0 1,0 'fosfcf ' 1,0 0,90 'cfmax ' 3,5 2,60 'focfmax ' 1,0 0,60 'tt ' 0,0 0,0 'dttm ' 0,0 0,0 'tti ' 2,0 2,0 'cfr ' 0,050 0,050 'whc ' 0,10 0,10 'sfdistfo ' 0,20 0,20 'sfdistfi ' 0,50 0,20 'sclass ' 3,0 3,0 'fc ' 200,0 200,0 'lp ' 0,90 0,90 'beta ' 2,0 2,70 'cflux ' 1,0 - 'cevpfo ' 1,0 1,150 'athorn ' 0,0 0,220 'stf ' 0,0 2,0 'k4 ' 0,020 0,070 'perc ' 1,0 0,20 'khq ' 0,170 0,090 'hq ' 3,0 3,0 'alfa ' 1,0 1,0 'maxbas ' 6,0 4,0 'cevpl ' 1,10 1,10 'lakedays ' 0,01 30,0 'critstep ' 1,0 1,0 1 Värdet avviker starkt mellan FINKAN-modellen och SMHIs parametrar. Parametern sattes av misstag till 0 i FINKAN-modellen men undersökning av detta visade att effekt på avrinning därav är mycket marginell.

A.6 Förhållanden mellan vattennivå och area för vattenmagasin Tabell A - 4 Förhållanden mellan vattennivå och area för vattenmagasinen Glafsfjorden och Harefjorden. Vattennivå [m ö.h.]

Verklig area Glafsfjorden [km2]

Modellarea Glafsfjorden [km2]

Differens Glafsfjorden [km2]

Verklig area Harefjorden [km2]

Modellarea Harefjorden [km2]

Differens Harefjorden [km2]

45,1 95,06 77,51 17,55 14,99 12,17 2,82 45,3 96,15 78,10 18,06 15,29 12,43 2,86 45,5 97,21 78,69 18,52 15,59 12,69 2,89 45,7 98,17 79,26 18,91 15,86 12,94 2,92 45,9 99,04 79,80 19,24 16,08 13,18 2,90 46,1 99,93 80,32 19,61 16,27 13,41 2,86 46,3 100,61 80,83 19,77 16,43 13,63 2,79 46,5 101,26 81,34 19,93 16,58 13,85 2,73 46,7 101,90 81,84 20,06 16,73 14,07 2,66 46,9 102,52 82,33 20,18 16,88 14,28 2,60 47,1 103,55 82,82 20,73 17,07 14,49 2,58 47,3 104,19 83,30 20,90 17,22 14,69 2,53 47,5 104,83 83,78 21,05 17,38 14,90 2,48 47,7 105,46 84,26 21,20 17,54 15,12 2,42 47,9 106,08 84,73 21,35 17,70 15,34 2,36 48,1 107,42 85,23 22,19 18,09 15,60 2,49 48,3 108,07 85,77 22,30 18,29 15,83 2,46 48,5 108,72 86,33 22,38 18,51 16,05 2,46 48,7 109,35 86,89 22,46 18,72 16,25 2,48 48,9 109,97 87,44 22,53 18,95 16,44 2,51 49,1 110,99 88,04 22,95 - - - 49,3 111,61 88,62 22,98 - - - 49,5 112,22 89,20 23,02 - - -

49,7 112,83 89,77 23,06 - - - 49,9 113,43 90,32 23,11 - - -

A.7 Kalibreringsparametrar för FINKAN-modellen Tabell A - 5 Resultat från kalibrering. Gränser mellan de zoner där flödesmotstånd specificeras. Värden interpoleras mellan specificerade positioner.

Beskrivning Älvgren Position [m] Zon 1-21 [m ö.h.] Zon 2-32 [m ö.h.]

Jössefors Byalven 0,0 46,6 47,3 Harefjorden Byalven 57 000,0 46,6 47,3 " Byalven 57 001,0 46,4 46,8 Nordspetsen av kanalön i Säffle Byalven 70 646,0 46,4 46,8 " Byalven 70 647,0 45,8 46,55 40 m uppströms dämmet Byalven 70 760,0 45,8 46,55 " Byalven 70 761,0 45,8 46,55 Sydspetsen av kanalön i Säffle Byalven 70 830,0 45,8 46,55 " Byalven 70 831,0 45,4 45,85 Vänern Byalven 75 814,6 45,4 45,85 1 Gränsen mellan nedersta och mellersta zonen 2 Gränsen mellan mellersta och översta zonen Tabell A - 6 Resultat från kalibrering. Mannings M för de zoner där flödesmotstånd specificeras. Värden interpoleras mellan specificerade positioner. Beskrivning Älvgren Position [m] Mzon 1 [m⅓s-1] Mzon 2 [m⅓s-1] Mzon 3 [m⅓s-1]

Jössefors Byalven 0,0 19,0 21,0 18,0 Harefjorden Byalven 57 000,0 19,0 21,0 18,0 " Byalven 57 001,0 21,0 20,0 17,0 Nordspetsen av kanalön i Säffle Byalven 70 646,0 21,0 20,0 17,0 " Byalven 70 647,0 21,0 16,0 22,0 40 m uppströms dämmet Byalven 70 760,0 21,0 16,0 22,0 " Byalven1 70 761,0 8,0 7,5 9,0 Sydspetsen av kanalön i Säffle Byalven1 70 830,0 8,0 7,5 9,0 " Byalven2 70 831,0 32,0 20,0 28,0 Vänern Byalven2 75 814,6 32,0 20,0 28,0 Dösslingen Doesslingen3 0,0 18,0 18,0 18,0 " Doesslingen3 1 100,7 18,0 18,0 18,0 Norr om Gillberga kyrka Gillberga e3 0,0 18,0 18,0 18,0 " Gillberga e3 3 007,5 18,0 18,0 18,0 " Gillberga w3 0,0 18,0 18,0 18,0 " Gillberga w3 2 516,4 18,0 18,0 18,0 Slusskanalen i Säffle Slusskanal3 0,0 45,0 45,0 45,0 " Slusskanal3 420,1 45,0 45,0 45,0 1 Mycket lågt Mannings M orsakat av att flödesmotstånd har använts för att kompensera frånvaron av turbulens, vilket egentligen skapas av tröskeln i dämmet 2 Råheten för denna sträcka är ej helt realistisk vilket beror på att nedre randvillkoret förmodligen inte stämmer (se kap. 6.1) 3 För dessa områden är flödesmotståndet uniformt, d.v.s. varierar ej med höjd

A.8

Tab

ell ö

ver k

ombi

nera

de å

tgär

der

Tab

ell A

- 7

Tabe

llen

redo

visa

r res

ulta

ten

av å

tgär

dsko

mbi

natio

ner s

om si

mul

erat

s. Å

tgär

dern

a pr

esen

tera

s i k

olum

ner b

etec

knad

e K

** /8

.4.*

i vi

lka

vidt

agna

åt

gärd

er ä

r ang

ivna

med

grå

mar

kerin

gar o

ch re

sulta

t för

resp

ektiv

e år

avl

äses

i ne

dre

dele

n av

tabe

llen.

K

ombi

natio

nsbe

näm

ning

Å

tgär

dsbe

skriv

ning

Mot

svar

ande

en

skild

åtg

ärd

K1

K

2 8.

4.1

K3

K

4

K5

K

6

K7

K

8

K9

8.4.

1 K

10

K

11

K

12

K

13

K

14

8.4.

3 Ö

kat f

löde

gen

om s

luss

en

8.2.

1

B

ortta

gnin

g av

inva

llnin

gar

8.2.

2

V

idgn

ing

av H

ökes

tröm

men

8.

2.3

c

E

ffekt

er a

v fö

ränd

rad

vatte

ndom

8.

2.4

M i

zon

2 &

3 p

å st

räck

a A

& B

+2

8.2.

5 A

B +2

M

i zo

n 2

& 3

på

strä

cka

A &

B +

5 8.

2.5

AB

+5

M i

zon

2 &

3 p

å st

räck

a A,

B &

C +

10

(sak

nas)

M

i zo

n 1

på s

träck

a A

, B &

C +

10

(sak

nas)

M

i zo

n 2

& 3

på

strä

cka

A, B

& C

+5

8.2.

5 A

BC

+5

M i

zon

1 på

strä

cka

A, B

& C

+5

8.2.

6 A

BC

+5

M i

zon

1 på

strä

cka

A &

B +

5 8.

2.6

AB

+5

Bar

riär t

ill K

yrkv

iken

8.

3.1

Stä

ngd

slus

s 8.

3.2

M i

däm

met

änd

rat t

ill 2

5 (s

akna

s)

M i

däm

met

änd

rat t

ill 3

5 (s

akna

s)

Trös

kel i

däm

met

bor

ttage

n (s

akna

s)

År 2

000

G

lafs

fjord

en: M

axim

al v

atte

nniv

å [m

ö.h

.] 47

,44

48,4

0 48

,26

48,2

4 48

,21

48,1

5 48

,11

48,1

0 48

,48

48,1

0 47

,96

48,0

5 48

,07

48,5

1 G

lafs

fjord

en: F

örän

drin

g av

max

imal

vat

tenn

ivå

[m]

-0,2

5 -0

,28

-0,4

3 -0

,45

-0,4

8 -0

,54

-0,5

7 -0

,58

-0,2

1 -0

,58

-0,7

2 -0

,63

-0,6

1 -0

,18

Har

efjo

rden

: Max

imal

vat

tenn

ivå

[m ö

.h.]

47,2

4 47

,03

- -

- -

- 46

,82

47,2

9 -

46,7

1 46

,82

46,8

7 47

,74

Har

efjo

rden

: För

ändr

ing

av m

axim

al v

atte

nniv

å [m

] -0

,44

-0,6

5 -

- -

- -

-0,8

6 -0

,39

- -0

,97

-0,8

5 -0

,80

+0,0

6 Å

r 199

9

Gla

fsfjo

rden

: Max

imal

vat

tenn

ivå

[m ö

.h.]

47,1

7 47

,15

- -

- -

- 47

,00

47,1

7 -

46,9

2 -

46,9

9 47

,26

Gla

fsfjo

rden

: För

ändr

ing

av m

axim

al v

atte

nniv

å [m

] -0

,19

-0,2

1 -

- -

- -

-0,3

6 -0

,19

- -0

,44

- -0

,37

-0,1

0 H

aref

jord

en: M

axim

al v

atte

nniv

å [m

ö.h

.] 46

,12

46,0

3 -

- -

- -

45,9

3 46

,17

- 45

,87

- 45

,96

46,8

0 H

aref

jord

en: F

örän

drin

g av

max

imal

vat

tenn

ivå

[m]

-0,6

5 -0

,74

- -

- -

- -0

,85

-0,6

0 -

-0,9

0 -

-0,8

1 +0

,03

A.8

Tab

ell ö

ver k

ombi

nera

de å

tgär

der

Tab

ell A

- 7(

fort

s) T

abel

len

redo

visa

r res

ulta

ten

av å

tgär

dsko

mbi

natio

ner s

om si

mul

erat

s. Å

tgär

dern

a pr

esen

tera

s i k

olum

ner b

etec

knad

e K

** /8

.4.*

i vi

lka

vidt

agna

åtg

ärde

r är a

ngiv

na m

ed g

rå m

arke

ringa

r och

resu

ltat f

ör re

spek

tive

år a

vläs

es i

nedr

e de

len

av ta

belle

n.

Kom

bina

tions

benä

mni

ng

Åtg

ärds

besk

rivni

ng

Mot

svar

ande

en

skild

åtg

ärd

K15

8.

4.2

K16

K17

8.

4.2

K18

8.

4.5

K19

K20

K21

K22

K23

K24

K26

8.

4.4

Öka

t flö

de g

enom

slu

ssen

8.

2.1

B

ortta

gnin

g av

inva

llnin

gar

8.2.

2

Vid

gnin

g av

Hök

eströ

mm

en

8.2.

3 c

E

ffekt

er a

v fö

ränd

rad

vatte

ndom

8.

2.4

M

i zo

n 2

& 3

på

strä

cka

A &

B +

2 8.

2.5

AB +

2

M i

zon

2 &

3 p

å st

räck

a A

& B

+5

8.2.

5 AB

+5

M

i zo

n 2

& 3

på

strä

cka

A, B

& C

+10

(s

akna

s)

M

i zo

n 1

på s

träck

a A

, B &

C +

10

(sak

nas)

M i

zon

2 &

3 p

å st

räck

a A,

B &

C +

5 8.

2.5

ABC

+5

M

i zo

n 1

på s

träck

a A

, B &

C +

5 8.

2.6

ABC

+5

M

i zo

n 1

på s

träck

a A

& B

+5

8.2.

6 AB

+5

B

arriä

r till

Kyr

kvik

en

8.3.

1

Stä

ngd

slus

s 8.

3.2

M

i dä

mm

et ä

ndra

t till

25

(sak

nas)

M i

däm

met

änd

rat t

ill 3

5 (s

akna

s)

Tr

öske

l i d

ämm

et b

ortta

gen

(sak

nas)

År 2

000

Gla

fsfjo

rden

: Max

imal

vat

tenn

ivå

[m ö

.h.]

48,5

1 48

,28

48,6

8 47

,91

48,1

1 48

,20

48,4

1 48

,10

48,1

8 48

,29

48,1

8 G

lafs

fjord

en: F

örän

drin

g av

max

imal

vat

tenn

ivå

[m]

-0,1

8 -0

,40

<-0,

01

-0,7

8 -0

,57

-0,4

8 -0

,28

-0,5

8 -0

,50

-0,3

9 -0

,50

Har

efjo

rden

: Max

imal

vat

tenn

ivå

[m ö

.h.]

47,3

2 47

,06

47,6

8 46

,71

46,8

7 46

,83

47,0

4 46

,85

46,8

2 47

,02

46,8

3 H

aref

jord

en: F

örän

drin

g av

max

imal

vat

tenn

ivå

[m]

-0,3

6 -0

,62

<-0,

01

-0,9

7 -0

,81

-0,8

4 -0

,64

-0,8

2 -0

,86

-0,6

6 -0

,85

År 1

999

Gla

fsfjo

rden

: Max

imal

vat

tenn

ivå

[m ö

.h.]

- 47

,10

- -

47,0

1 47

,04

47,1

5 -

- 47

,13

- G

lafs

fjord

en: F

örän

drin

g av

max

imal

vat

tenn

ivå

[m]

- -0

,26

- -

-0,3

5 -0

,32

-0,2

1 -

- -0

,23

- H

aref

jord

en: M

axim

al v

atte

nniv

å [m

ö.h

.] -

46,0

6 -

- 45

,96

45,9

4 46

,03

- -

46,0

6 -

Har

efjo

rden

: För

ändr

ing

av m

axim

al v

atte

nniv

å [m

] -

-0,7

1 -

- -0

,81

-0,8

3 -0

,74

- -

-0,7

1 -

B.1 Radial Gate En speciell beräkningsmodul finns i MIKE 11 att tillgå för beräkningar av flödesbegränsningar på grund av runda luckor som hindrar flödet genom att mot en tröskel på botten begränsa tvärsnittsarean, vilket är en konstruktion som motsvaras av dammluckorna i vad som kallas dämmet i Byälven. Figur B - 1 utgör en schematisk skiss med beteckningar över en sådan lucka sedd från sidan.

I den av Structure operations som kallas Radial Gate delas flödet upp i ett flöde över och ett flöde under en konvex lucka. Luckregleringen i Säffle är emellertid sådan att något flöde över luckorna aldrig inträffar. Flödet under luckorna beräknas olika beroende på om anläggningen ger upphov till utströmning oberoende eller beroende av vattennivån på nedströmssidan dammluckan. För fall med flöde oberoende av vattennivån nedströms, då y2 < yLimit + yTran,Bottom, gäller

1

1

, 21

gya

yw

Q underflowfree δδτ+

= (B - 1)

och med flöde beroende av vattennivån nedströms, då y2 > yLimit + yTran,Bottom + yTran Depth

)(2

1

212

1

, yyga

yw

Q underflowsubmerge −

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛−

=δ

δτ (B - 2)

y1 y2 Q w

Ө

Sill level

Figur B - 1 Skissen föreställer en av tre identiska luckor som används för reglering av flöde genom dämmet i Säffle sedd från väster.

wBA = (B.1 - 3)

⎥⎥⎦

⎤

⎢⎢⎣

⎡−⎟

⎠⎞

⎜⎝⎛ −+= 11161

2 wHwyLimit δ

δ (A.4 - 4)

2

9036,0

9075,01 ⎟

⎠⎞

⎜⎝⎛

°+

°−=

θθδ (A.4 - 4)

med följande beteckningar: y1 vattennivå uppströms dammlucka, relativt tröskelnivå under lucka [m] y2 vattennivå nedströms dammlucka, relativt tröskelnivå under lucka [m] τ kalibreringsfaktor [-] w vertikal lucköppning [m] B luckbredd [m] A genomströmningsarea [m2] g tyngdacceleration [m·s-2] Ө vinkel mellan bottenyta och normal till nedre luckkants tangent [°] δ kontraktionskoefficient [-] H uppströms energipotential [m] yTran,Bottom användardefinierad parameter [m] yTran,Depth användardefinierad parameter [m]

Glava

Sulvik

Stömne

RackenKoppom

Nysäter

Högsäter

Klässbol

Övre Gla

Åmotfors

Stora Gla

Jössefors

Gunnarskog

Harefjorden

Björnöflagan

Glafsfjorden

Nysockensjön

Charlottenberg

Säffle

Arvika

Skala 1:600 000

C.1 Övers i k t ska r ta - Byä l vens av r i nn ingsområde

¹Teckenförklaring

Allmän väg

Järnväg

Riksgräns

Vattendrag

Vatten

Tätort

Ekvidistans 25 m

0 10 20 30 405Kilometer

Vänern

Glasälv

en

LillälvenGillberga

Skala 1:500 000

C.2 De lav r i nn ingsområden - Byä l vens av r i nn ingsområde

¹Teckenförklaring (% areal)

Jössefors/Jösseälven (62,3 %)

Blixbol/Lillälven (9,2 %)

Glava/Glasälven (6,1 %)

Arvika (8,2 %)

Stömne (8,0 %)

Säffle (4,1 %)

Svaneholm (1,6 %)

Åmotfors (0,5 %)

Vattendrag

Riksgräns

Vatten

0 10 20 30 405

Kilometer

Aspen

Skasås

Nysäter

Högsäter

Svaneholm

Stora Gla

Kyrkviken

Jössefors

Dösslingen

Harefjorden

Söljeflagan

Hökeströmmen

Björnöflagan

Stömneflagan

Glafsfjorden

Gillbergasjön

Gillberga Kyrka

Säffle

Arvika

Skala 1:300 000

C . 3 O r i e n t e r i n g s k a r t a- G l a f s f j o r d e n & B y ä l v e n

¹

TeckenförklaringAllmän väg

Järnväg

Vattendrag

Vatten

Slussen

Dämmet

Slus

skan

alen Ba

ckes

tröm

men

0 5 10 15 202,5Kilometer

→

→Strömbron

Kan

alön

Glasälv

en

Lillälven

Rolfserudstorp

Återslöp

PeglarArvika

Skasås

Högsäter

Nysäter

Harefjorden

Säffle övre

Säffle nedre

Dämmet

Backeströmmen

A

C

FG

B

D

E

H

I

A

B

C

D

E

F

G

H

I